RTD溫度測(cè)量為什么很重要？

 

溫度測(cè)量在很多不同的終端應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、狀態(tài)監(jiān)控(CbM)和醫(yī)療設(shè)備。不管監(jiān)控環(huán)境條件或校正系統(tǒng)的漂移性能如何，高準(zhǔn)確度和高精度都非常重要。有多種類(lèi)型的溫度傳感器可以使用，例如熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。具體選擇何種溫度傳感器及如何設(shè)計(jì)，取決于所測(cè)量的溫度范圍和所需的精度。對(duì)于-200°C至+850°C之間的溫度，RTD可提供高精度和良好穩(wěn)定性的出色特性組合。

 

溫度測(cè)量的主要挑戰(zhàn)有哪些？

 

挑戰(zhàn)包括：

 

●    電流和電壓選擇。RTD傳感器是無(wú)源器件，不會(huì)自行產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵(lì)電流或電壓來(lái)測(cè)量傳感器的電阻，即讓一個(gè)小電流經(jīng)過(guò)傳感器以產(chǎn)生電壓。如何選擇電流/電壓？

●    具體設(shè)計(jì)的最佳選擇是2線(xiàn)式、3線(xiàn)式還是4線(xiàn)式？

●    RTD信號(hào)應(yīng)如何調(diào)理？

●    如何調(diào)整上述變量，以便在規(guī)格范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建模塊？

●    在系統(tǒng)中連接多個(gè)RTD——如何連接傳感器？不同傳感器之間是否能共享一些模塊？對(duì)系統(tǒng)整體性能有何影響？

●    設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差是多少？

 

RTD選型指南

 

RTD概述

 

RTD傳感器的阻值是以某種精確定義的方式隨溫度變化的函數(shù)。最廣泛使用的RTD是鉑Pt100和Pt1000，其提供2線(xiàn)、3線(xiàn)和4線(xiàn)配置。其他RTD類(lèi)型由鎳和銅制成。

 

表1.常見(jiàn)RTD類(lèi)型

 

 

最常見(jiàn)的Pt100 RTD有兩種形狀：線(xiàn)繞和薄膜。每種類(lèi)型都按照若干標(biāo)準(zhǔn)化曲線(xiàn)和容差構(gòu)建。最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化曲線(xiàn)是DIN曲線(xiàn)。DIN代表"Deutsches Institut für Normung"，意思是"德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所"。曲線(xiàn)定義了鉑100Ω傳感器的阻值與溫度的關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)化容差和工作溫度范圍。其定義的RTD精度從0°C時(shí)100Ω的基本電阻開(kāi)始。DIN RTD有不同的標(biāo)準(zhǔn)容差分類(lèi)。這些容差顯示在表2中，它們也適用于低功耗應(yīng)用中使用的Pt1000 RTD。

 

表2.RTD精度—A類(lèi)、B類(lèi)、1/3 DIN

 

選擇RTD傳感器時(shí)，RTD本身及其精度都要考慮。溫度范圍隨元件類(lèi)型而變化，以校準(zhǔn)溫度（通常在0°C）顯示的精度隨溫度而變化。因此，必須定義所測(cè)量的溫度范圍，并要考慮到任何低于或高于校準(zhǔn)溫度的溫度都會(huì)有更寬的容差和更低的精度。

 

RTD按照0°C時(shí)的標(biāo)稱(chēng)電阻來(lái)分類(lèi)。Pt100傳感器的溫度系數(shù)約為0.385Ω/℃，Pt1000的溫度系數(shù)比Pt100大10倍。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用這些系數(shù)來(lái)獲得近似的電阻到溫度轉(zhuǎn)換，但Callendar-Van Dusen方程提供了更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。

 

溫度t ≤ 0°C時(shí)，公式為：

 

 

溫度t ≥ 0°C時(shí)，公式為：

 

 

其中：

 

●    t為RTD溫度(°C)

●    RRTD(t)為RTD在溫度(t)時(shí)的電阻

●    R0為RTD在0°C時(shí)的電阻（本例中R0 = 100 Ω）

●    A = 3.9083 × 10−3

●    B = −5.775 × 10−7

●    C = −4.183 × 10−12

 

RTD接線(xiàn)配置

 

選擇RTD時(shí)需要考慮的另一個(gè)傳感器參數(shù)是其接線(xiàn)配置，這會(huì)影響系統(tǒng)精度。市場(chǎng)上有三種不同的RTD接線(xiàn)配置，每種配置都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可能需要采用不同技術(shù)來(lái)減小測(cè)量誤差。

 

2線(xiàn)配置是最簡(jiǎn)單但精度最低的配置，原因是引線(xiàn)電阻的誤差及其隨溫度的變化導(dǎo)致了顯著的測(cè)量誤差。因此，這種配置僅用于引線(xiàn)很短的應(yīng)用或使用高電阻傳感器（例如Pt1000）的應(yīng)用，這樣可以最大程度地減小引線(xiàn)電阻對(duì)精度的影響。

 

3線(xiàn)配置使用三個(gè)引腳，優(yōu)勢(shì)突出，因而是使用最多的配置，在連接器尺寸最小化的設(shè)計(jì)中很有用（僅需要3個(gè)連接端子，而4線(xiàn)RTD需要4線(xiàn)端子）。相對(duì)于2線(xiàn)配置，3線(xiàn)配置在精度上也有顯著改善。3線(xiàn)配置中的引線(xiàn)電阻誤差可以通過(guò)不同的校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償，本文稍后會(huì)介紹這些技術(shù)。

 

4線(xiàn)是最昂貴但最準(zhǔn)確的配置。這種配置消除了引線(xiàn)電阻及溫度變化效應(yīng)引起的誤差。因此，4線(xiàn)配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能。

 

RTD配置電路

 

高精度RTD傳感器測(cè)量需要精密信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線(xiàn)性化和校準(zhǔn)。RTD測(cè)量系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)由不同電路級(jí)組成，如圖2所示。雖然信號(hào)鏈看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但其中涉及到幾個(gè)復(fù)雜因素，設(shè)計(jì)人員必須考慮復(fù)雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和模擬信號(hào)調(diào)理挑戰(zhàn)。由于相關(guān)模塊數(shù)量較多，上述因素會(huì)影響整體系統(tǒng)電路板尺寸和物料清單(BOM)成本。但好消息是，ADI公司提供了大量集成式解決方案。該完整的系統(tǒng)解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小電路板尺寸，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并降低整個(gè)RTD測(cè)量系統(tǒng)的成本。

 

圖1.RTD接線(xiàn)配置 

 

圖2.典型RTD測(cè)量信號(hào)鏈模塊 

 

三種RTD接線(xiàn)配置需要不同的接線(xiàn)技術(shù)來(lái)將RTD連接到ADC，另外還要考慮其他外部元件以及ADC的要求，例如激勵(lì)電流和靈活的多路復(fù)用器。本節(jié)將更深入地討論每種RTD配置電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

 

Σ-Δ型ADC

 

當(dāng)設(shè)計(jì)RTD系統(tǒng)時(shí)，Sigma-Delta（Σ-Δ）型ADC能提供多方面優(yōu)勢(shì)。首先，Σ-Δ型ADC能夠?qū)δM輸入過(guò)采樣，從而最大程度地減少外部濾波，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器。另外，它們支持靈活地選擇濾波器類(lèi)型和輸出數(shù)據(jù)速率。在采用市電供電的設(shè)計(jì)中，內(nèi)置數(shù)字濾波可用來(lái)抑制交流電源的干擾。24位高分辨率ADC（如 AD7124-4/AD7124-8 ）具有21.7位（最大值）的峰值分辨率。其他優(yōu)點(diǎn)包括：

 

●    寬共模范圍的模擬輸入

●    寬共模范圍的基準(zhǔn)輸入

●    能夠支持比率式配置

●    緩沖基準(zhǔn)電壓和模擬輸入

 

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

 

●    可編程增益放大器(PGA)

●    激勵(lì)電流

●    基準(zhǔn)電壓源/模擬輸入緩沖器

●    校準(zhǔn)功能

 

此類(lèi)ADC顯著簡(jiǎn)化了RTD設(shè)計(jì)，并且減少了BOM，降低了系統(tǒng)成本，縮小了電路板空間，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

 

對(duì)于本文，AD7124-4/AD7124-8用作ADC。這兩款器件是低噪聲、低電流精密ADC，集成了PGA、激勵(lì)電流、模擬輸入和基準(zhǔn)電壓緩沖器。

 

比率測(cè)量

 

比率式配置是使用RTD或熱敏電阻等電阻傳感器的系統(tǒng)的合適且高性?xún)r(jià)比的解決方案。采用比率式方法，基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓從同一激勵(lì)源獲得。因此，激勵(lì)源不需要很精確。圖3顯示了4線(xiàn)RTD應(yīng)用中的比率式配置示例。恒定的激勵(lì)電流為RTD和精密電阻RREF供電，RREF上產(chǎn)生的電壓就是RTD測(cè)量的基準(zhǔn)電壓。激勵(lì)電流的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量的精度。因此，采用比率式方法時(shí)，允許使用噪聲較大且不那么穩(wěn)定的激勵(lì)電流。激勵(lì)電流具有更好的抗擾度，優(yōu)于電壓激勵(lì)。本文稍后會(huì)討論選擇激勵(lì)源值時(shí)需要考慮的主要因素。

 

圖3.4線(xiàn)RTD比率測(cè)量

 

IOUT/AIN共用引腳

 

許多RTD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用集成多路復(fù)用器和激勵(lì)電流的Σ-Δ型ADC，以支持多通道測(cè)量和靈活地將激勵(lì)電流連接到各傳感器。AD7124等ADC允許單個(gè)引腳同時(shí)用作激勵(lì)電流和模擬輸入引腳（參見(jiàn)圖4）。由于IOUT和AIN共用引腳，因此每個(gè)3線(xiàn)RTD傳感器只需要兩個(gè)引腳，這有利于增加通道數(shù)。但在這種配置中，抗混疊或電磁干擾(EMI)濾波中的大值電阻R與RTD串聯(lián)，會(huì)給RTD電阻值帶來(lái)誤差，因此R值受到限制。正因如此，通常建議為每個(gè)激勵(lì)電流源提供專(zhuān)用引腳，以避免給RTD測(cè)量帶來(lái)誤差。

 

圖4.3線(xiàn)RTD，IOUT/AIN引腳共用 

 

4線(xiàn)RTD連接圖

 

4線(xiàn)RTD配置性能最佳。相比于其他兩種配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的唯一問(wèn)題是傳感器本身的成本和4引腳連接器的尺寸。在這種配置中，引線(xiàn)引起的誤差通過(guò)返回線(xiàn)路消除。4線(xiàn)配置使用開(kāi)爾文檢測(cè)，兩條線(xiàn)承載往返RTD的激勵(lì)電流，其余兩條線(xiàn)檢測(cè)RTD元件本身的電流。引腳電阻引起的誤差會(huì)被系統(tǒng)本身消除。4線(xiàn)配置只需要一個(gè)激勵(lì)電流IOUT，如圖5所示。來(lái)自ADC的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)4線(xiàn)RTD配置：一個(gè)引腳用于激勵(lì)電流IOUT，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用于檢測(cè)RTD上的電壓。

 

當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè)4線(xiàn)RTD時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電流源，并將激勵(lì)電流導(dǎo)向系統(tǒng)中的不同RTD。將基準(zhǔn)電阻放在RTD的低端，單個(gè)基準(zhǔn)電阻便可支持所有RTD測(cè)量。也就是說(shuō)，該基準(zhǔn)電阻由所有RTD共享。請(qǐng)注意，如果ADC的基準(zhǔn)輸入具有寬共模范圍，則基準(zhǔn)電阻可以放在高端或低端。因此，對(duì)于單個(gè)4線(xiàn)RTD，可以使用高端或低端上的基準(zhǔn)電阻。但是，當(dāng)系統(tǒng)中使用多個(gè)4線(xiàn)RTD時(shí)，將基準(zhǔn)電阻放在低端是有利的，因?yàn)橐粋€(gè)基準(zhǔn)電阻可以由所有RTD共享。請(qǐng)注意，某些ADC內(nèi)置基準(zhǔn)電壓緩沖器。這些緩沖器可能需要一定的裕量，因此如果使能緩沖器，則需要裕量電阻。使能緩沖器意味著可以將更強(qiáng)大的濾波連接到基準(zhǔn)引腳而不會(huì)引起誤差，例如ADC內(nèi)的增益錯(cuò)誤。

 

2線(xiàn)RTD連接圖

 

2線(xiàn)RTD配置是最簡(jiǎn)單的配置，如圖6所示。2線(xiàn)配置只需要一個(gè)激勵(lì)電流源。來(lái)自ADC的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)2線(xiàn)RTD配置：一個(gè)引腳用于激勵(lì)電流IOUT，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用于檢測(cè)RTD上的電壓。當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè)2線(xiàn)RTD時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電流源，并將激勵(lì)電流導(dǎo)向系統(tǒng)中的不同RTD。按照4線(xiàn)配置將基準(zhǔn)電阻放在RTD的低端，單個(gè)基準(zhǔn)電阻便可支持所有RTD測(cè)量。也就是說(shuō)，該基準(zhǔn)電阻由所有RTD共享。

 

2線(xiàn)配置是三種接線(xiàn)配置中精度最低的配置，原因是測(cè)量的實(shí)際電阻值既包括傳感器的電阻值，也包括引線(xiàn)RL1和RL2的電阻值，從而增大了ADC上的電壓測(cè)量結(jié)果。如果傳感器在遠(yuǎn)程，系統(tǒng)使用非常長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，則誤差將很大。例如，25英尺長(zhǎng)的24 AWG銅線(xiàn)的等效電阻為：0.026Ω/英尺（0.08Ω/米）× 2 × 25英尺 = 1.3Ω。因此，1.3Ω導(dǎo)線(xiàn)電阻產(chǎn)生的誤差為：(1.3/0.385) = 3.38°C（近似值）。導(dǎo)線(xiàn)電阻還會(huì)隨溫度而變化，這又會(huì)增加誤差。

 

圖5.單個(gè)和多個(gè)4線(xiàn)RTD模擬輸入配置測(cè)量 

 

3線(xiàn)RTD連接圖

 

使用3線(xiàn)RTD配置可以大幅改善2線(xiàn)RTD配置的引線(xiàn)電阻所引起的較大誤差。本文使用第二激勵(lì)電流（如圖7所示）來(lái)抵消RL1和RL2所產(chǎn)生的引線(xiàn)電阻誤差。因此，來(lái)自ADC的四個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)3線(xiàn)RTD配置：兩個(gè)引腳用于激勵(lì)電流（IOUT0和IOUT1），兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用于檢測(cè)RTD上的電壓。

 

圖6.單個(gè)和多個(gè)2線(xiàn)RTD模擬輸入配置測(cè)量

 

圖7.單個(gè)和多個(gè)3線(xiàn)RTD模擬輸入配置測(cè)量 

 

有兩種方法可以配置3線(xiàn)RTD電路。方法1將基準(zhǔn)電阻放在頂邊，使得第一激勵(lì)電流IOUT0流到RREF、RL1，然后流到RTD；第二電流流經(jīng)RL2引線(xiàn)電阻，產(chǎn)生的電壓抵消RL1引線(xiàn)電阻上的壓降。因此，匹配良好的激勵(lì)電流可完全消除引線(xiàn)電阻導(dǎo)致的誤差。如果激勵(lì)電流匹配得不是那么好，使用這種配置可使不匹配的影響最小化。同一電流流到RTD和RREF；因此，兩個(gè)IOUT之間的任何不匹配只會(huì)影響引線(xiàn)電阻計(jì)算。測(cè)量單個(gè)RTD時(shí)，此配置很有用。

 

測(cè)量多個(gè)3線(xiàn)RTD時(shí)，建議將基準(zhǔn)電阻放在底邊（方法2），這樣只能使用單個(gè)基準(zhǔn)電阻，從而最大限度地降低總成本。然而，在這種配置中，一個(gè)電流流過(guò)RTD，但有兩個(gè)電流流過(guò)基準(zhǔn)電阻。因此，IOUT的任何不匹配都會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的值和引線(xiàn)電阻的抵消。當(dāng)存在激勵(lì)電流不匹配時(shí)，該配置的誤差會(huì)比方法1更大。有兩種可能的方法可以校準(zhǔn)IOUT之間的不匹配和不匹配漂移，從而提高第二種配置的精度。第一種方法是對(duì)激勵(lì)電流斬波（交換），在每個(gè)階段執(zhí)行一次測(cè)量，然后將兩個(gè)測(cè)量值平均，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。另一種辦法是測(cè)量實(shí)際激勵(lì)電流本身，然后在微控制器使用計(jì)算的不匹配來(lái)補(bǔ)償該不匹配。關(guān)于這些校準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié)在 CN0383中討論。

 

RTD系統(tǒng)優(yōu)化

 

檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題，可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化RTD應(yīng)用解決方案存在不同的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)一是上面討論的傳感器選型和連接圖。挑戰(zhàn)二是測(cè)量的配置，包括ADC配置、設(shè)置激勵(lì)電流、設(shè)置增益和選擇外部元件，同時(shí)確保系統(tǒng)優(yōu)化并在ADC規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。最后，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能，確定有哪些誤差源貢獻(xiàn)了整體系統(tǒng)誤差。

 

幸運(yùn)的是，有一款新工具 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator ，它為設(shè)計(jì)和優(yōu)化RTD測(cè)量系統(tǒng)提供從概念到原型制作的實(shí)操解決方案。

 

該工具

 

●    有助于了解正確的配置、接線(xiàn)和電路圖

●    有助于了解不同誤差源并支持設(shè)計(jì)優(yōu)化

 

該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計(jì)，允許客戶(hù)調(diào)整激勵(lì)電流、增益、外部元件等設(shè)置。它會(huì)指出超邊界狀況，以確保最終解決方案在ADC的規(guī)格范圍內(nèi)。

 

圖8.RTD配置程序 

 

激勵(lì)電流、增益和外部元件的選擇

 

理想情況下，我們傾向于選擇較高的激勵(lì)電流以產(chǎn)生較高的輸出電壓，并使ADC輸入范圍最大化。然而，由于傳感器為阻性，設(shè)計(jì)人員還必須確保大值激勵(lì)電流的功耗或自發(fā)熱效應(yīng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能選擇高激勵(lì)電流。但是，為使自發(fā)熱最小化，在兩次測(cè)量之間需要關(guān)閉激勵(lì)電流。設(shè)計(jì)人員需要考慮時(shí)序?qū)ο到y(tǒng)的影響。另一種方法是選擇較低激勵(lì)電流，以使自發(fā)熱最小。時(shí)序現(xiàn)已最小化，但設(shè)計(jì)人員需要確定系統(tǒng)性能是否受到影響。所有方案都可以通過(guò) RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進(jìn)行測(cè)試。該工具允許用戶(hù)平衡激勵(lì)電流、增益和外部元件的選擇，以確保模擬輸入電壓得到優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和系統(tǒng)性能，即噪聲和失調(diào)誤差更低。

 

要了解所得到的濾波曲線(xiàn)，或者要更深入地了解轉(zhuǎn)換時(shí)序，VirtualEval在線(xiàn)工具 可提供相關(guān)細(xì)節(jié)。

 

Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準(zhǔn)輸入均由開(kāi)關(guān)電容前端連續(xù)采樣。對(duì)于所討論的RTD系統(tǒng)，基準(zhǔn)輸入也受外部基準(zhǔn)電阻驅(qū)動(dòng)。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用一個(gè)外部RC濾波器用于抗混疊。為了EMC目的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在模擬輸入端和基準(zhǔn)輸入端使用較大R和C值。大RC值在測(cè)量中可能引起增益誤差，因?yàn)樵趦蓚€(gè)采樣時(shí)刻之間的時(shí)間里，前端電路沒(méi)有充足的時(shí)間來(lái)建立。緩沖模擬和基準(zhǔn)輸入可防止此類(lèi)增益誤差，從而允許使用不受限制的R和C值。

 

對(duì)于AD7124-4/AD7124-8，當(dāng)使用大于1的內(nèi)部增益時(shí)，模擬輸入緩沖器自動(dòng)使能，由于PGA放置在輸入緩沖器的前面，并且PGA是軌到軌的，所以模擬輸入也是軌到軌的。但是，對(duì)于基準(zhǔn)緩沖器，或者在增益為1時(shí)使用ADC且使能模擬輸入緩沖器，則有必要確保提供正確運(yùn)行所需的裕量。

 

Pt100輸出的信號(hào)電平很低，大約為幾百mV。為獲得最佳性能，可以使用寬動(dòng)態(tài)范圍的ADC?；蛘呤褂靡粋€(gè)增益級(jí)來(lái)放大信號(hào)，再將其應(yīng)用于ADC。AD7124-4/AD7124-8支持1到128的增益，因而可以針對(duì)各種激勵(lì)電流優(yōu)化設(shè)計(jì)。PGA增益的多個(gè)選項(xiàng)允許設(shè)計(jì)人員在激勵(lì)電流值與增益、外部元件、性能之間取舍。RTD配置工具會(huì)指示新的激勵(lì)電流值是否能與所選RTD傳感器一起使用。它還會(huì)給出精密基準(zhǔn)電阻和基準(zhǔn)裕量電阻的適當(dāng)建議值。請(qǐng)注意，該工具可確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)使用——它會(huì)顯示支持相關(guān)配置的可能增益。AD7124激勵(lì)電流具有輸出順從性；也就是說(shuō)，提供激勵(lì)電流的引腳上的電壓相對(duì)于AVDD需要一些裕量。該工具也會(huì)確保符合該順從規(guī)格。

 

借助RTD工具，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以保證系統(tǒng)在ADC和RTD傳感器的工作限值內(nèi)運(yùn)行。基準(zhǔn)電阻等外部元件的精度及其對(duì)系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)將在稍后討論。

 

濾波選項(xiàng)（模擬和數(shù)字50 Hz/60 Hz抑制）

 

如前所述，建議將抗混疊濾波器配合Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器使用。嵌入式濾波器是數(shù)字式，所以頻率響應(yīng)在采樣頻率附近折回。為了充分衰減調(diào)制器頻率及其倍數(shù)處的干擾，必須使用抗混疊濾波。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器會(huì)對(duì)模擬輸入過(guò)采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)RC濾波器。

 

當(dāng)最終系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，處理來(lái)自系統(tǒng)所處環(huán)境的噪聲或干擾可能非常有挑戰(zhàn)性，尤其是在工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、過(guò)程控制或功率控制等應(yīng)用領(lǐng)域，這些應(yīng)用要求耐噪，同時(shí)不能產(chǎn)生太大噪聲而影響到相鄰元器件。噪聲、瞬態(tài)或其他干擾源會(huì)影響系統(tǒng)精度和分辨率。當(dāng)系統(tǒng)由交流電源供電時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生干擾。交流電源頻率在歐洲是50 Hz及其倍數(shù)，在美國(guó)是60 Hz及其倍數(shù)。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)RTD系統(tǒng)時(shí)，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑制能力的濾波電路。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望設(shè)計(jì)一個(gè)能夠同時(shí)抑制50 Hz和60 Hz的通用系統(tǒng)。

 

大多數(shù)較低帶寬ADC（包括AD7124-4/AD7124-8）提供多種數(shù)字濾波選項(xiàng)，通過(guò)編程可將陷波頻率設(shè)置為50 Hz/60 Hz。所選濾波器選項(xiàng)會(huì)影響輸出數(shù)據(jù)速率、建立時(shí)間以及50 Hz/60 Hz抑制。使能多個(gè)通道時(shí)，每次切換通道都需要一個(gè)建立時(shí)間以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，選擇具有較長(zhǎng)建立時(shí)間的濾波器類(lèi)型（即sinc4或sinc3）會(huì)降低整體吞吐速率。在這種情況下，可使用后置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時(shí)間提供合理的50 Hz/60 Hz同時(shí)抑制，從而提高吞吐速率。

 

功耗考慮

 

系統(tǒng)的電流消耗或功耗預(yù)算分配高度依賴(lài)于最終應(yīng)用。AD7124-4/AD7124-8具有三種功耗模式，支持在性能、速度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。便攜式或遠(yuǎn)程應(yīng)用須使用低功耗器件和配置。對(duì)于某些工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)都由4 mA到20 mA環(huán)路供電，因此允許的電流預(yù)算最大值僅有4 mA。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，可以將器件設(shè)置為中功率或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍能提供高性能。如果應(yīng)用是由交流電源供電的過(guò)程控制，則電流消耗可以高得多，因此器件可以設(shè)置為全功率模式，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高得多的輸出數(shù)據(jù)速率和更高的性能。

 

誤差源和校準(zhǔn)選項(xiàng)

 

知道所需的系統(tǒng)配置之后，下一步是估算與ADC相關(guān)的誤差和系統(tǒng)誤差。這些誤差可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解前端和ADC配置是否滿(mǎn)足整體目標(biāo)精度和性能。 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 允許用戶(hù)修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能。例如，圖9顯示了所有誤差的摘要。系統(tǒng)誤差餅圖表明，外部基準(zhǔn)電阻的初始精度及其溫度系數(shù)是系統(tǒng)總誤差的主要貢獻(xiàn)因素。因此，必須考慮使用更高精度和更好溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)電阻。

 

ADC引起的誤差不是系統(tǒng)總誤差的最重要貢獻(xiàn)因素。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的內(nèi)部校準(zhǔn)模式可以進(jìn)一步減小ADC的誤差貢獻(xiàn)。建議在上電或軟件初始化時(shí)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，以消除ADC增益和失調(diào)誤差。請(qǐng)注意，這些校準(zhǔn)不會(huì)消除外部電路造成的誤差。但是，ADC還支持系統(tǒng)校準(zhǔn)，使得系統(tǒng)失調(diào)和增益錯(cuò)誤可以最小化，但這可能會(huì)增加額外的成本，大多數(shù)應(yīng)用可能不需要。

 

故障檢測(cè)

 

對(duì)于惡劣環(huán)境或安全很重要的應(yīng)用，診斷正成為行業(yè)要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對(duì)外部元件實(shí)現(xiàn)診斷的需求，使得解決方案尺寸更小、時(shí)間更短且成本更低。診斷包括：

 

●    檢查模擬引腳上的電壓電平，確保其在額定工作范圍內(nèi)

●    串行外設(shè)接口(SPI)總線(xiàn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)

●    存儲(chǔ)器映射的CRC

●    信號(hào)鏈檢查

 

這些診斷使得解決方案更強(qiáng)大。根據(jù)IEC 61508，典型3線(xiàn)RTD應(yīng)用的失效模式、影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比率(SFF)大于90%。

 

RTD系統(tǒng)評(píng)估

 

圖10顯示了來(lái)自電路筆記CN-0383的一些測(cè)量數(shù)據(jù)。該測(cè)量數(shù)據(jù)是利用AD7124-4/AD7124-8評(píng)估板獲得，其中包括2-/3-/4-線(xiàn)RTD的演示模式，并計(jì)算了相應(yīng)的攝氏溫度值。結(jié)果表明，2線(xiàn)RTD實(shí)現(xiàn)方案的誤差更接近誤差邊界的下限，而3線(xiàn)或4線(xiàn)RTD實(shí)現(xiàn)方案的總體誤差完全在允許限值以?xún)?nèi)。2線(xiàn)測(cè)量中的較高誤差源于前面所述的引線(xiàn)電阻誤差。

 

圖9.RTD誤差源計(jì)算程序 

 

這些例子說(shuō)明，當(dāng)與ADI公司的較低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）一起使用時(shí)，遵循上述RTD指南將能實(shí)現(xiàn)高精度、高性能設(shè)計(jì)。電路筆記(CN0383)也可用作參考設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)原型。評(píng)估板允許用戶(hù)評(píng)估系統(tǒng)性能，每種示例配置演示模式都可以使用。進(jìn)一步說(shuō)，使用ADI生成的示例代碼（可從AD7124-4/AD7124-8產(chǎn)品頁(yè)面獲得），可以輕松開(kāi)發(fā)出不同RTD配置的固件。

 

采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC（例如AD7124-4/AD7124-8）適合于RTD測(cè)量應(yīng)用，因?yàn)槠浣鉀Q了諸如50 Hz/60 Hz抑制之類(lèi)的問(wèn)題，并且模擬輸入具有寬共模范圍（基準(zhǔn)輸入也可能有）。另外，這些器件具有高集成度，包含RTD系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的全部功能。它們還提供增強(qiáng)特性，如校準(zhǔn)能力和嵌入式診斷。這種集成度加上完整的系統(tǒng)資料或生態(tài)系統(tǒng)，將能簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本，縮短從概念到原型的設(shè)計(jì)周期。

 

為使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)之旅更輕松，可以使用 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具和在線(xiàn)工具VirtualEval、評(píng)估板硬件和軟件以及CN-0383來(lái)解決不同的挑戰(zhàn)，例如連接問(wèn)題和整體誤差預(yù)算，將用戶(hù)的設(shè)計(jì)體驗(yàn)提升到更高層次。

 

結(jié)論

 

本文已說(shuō)明，設(shè)計(jì)RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具挑戰(zhàn)性的多步驟過(guò)程。它需要選擇不同的傳感器配置、ADC和優(yōu)化，并考慮這些決策如何影響整體系統(tǒng)性能。ADI公司的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線(xiàn)工具VirtualEval、評(píng)估板硬件和軟件以及CN-0383，通過(guò)解決連接和整體誤差預(yù)算問(wèn)題來(lái)簡(jiǎn)化該過(guò)程。

 

圖10.2-/3-/4-線(xiàn)RTD溫度精度測(cè)量后置濾波器，低功耗模式，25 SPS

 

 

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