RTD 溫度測量系統(tǒng)的 ADC 要求

溫度系統(tǒng)中可以使用多種類型的溫度傳感器。要使用的溫度傳感器取決于測量的溫度范圍和所需的精度。除了傳感器之外，溫度系統(tǒng)的精度還取決于傳感器所連接的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的性能。在許多情況下，需要高分辨率 ADC，因?yàn)閬碜詡鞲衅鞯男盘?hào)幅度非常小。Sigma delta (SD) ADC 適用于這些系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪歉叻直媛试O(shè)備。它們還具有溫度系統(tǒng)所需的片上嵌入附加電路，例如激勵(lì)電流和參考緩沖器。本文介紹了常用的 3 線和 4 線電阻溫度檢測器 (RTD)。它描述了將傳感器連接到 ADC 所需的電路，并解釋了 ADC 所需的性能要求。

熱電阻

RTD 可用于測量 -200 o C 至 +800 o C范圍內(nèi)的溫度，并且在此溫度范圍內(nèi)具有近線性響應(yīng)。RTD 使用的典型元件是鎳、銅和鉑，其中 100 Ω 和 1000 Ω 鉑 RTD 最為常見。RTD 由 2、3 或 4 根線組成，其中 3 線和 4 線最為常用。這些是無源傳感器，需要激勵(lì)電流來產(chǎn)生輸出電壓。此類 RTD 的輸出電壓水平從幾十毫伏到幾百毫伏不等，具體取決于所選的 RTD。

3 線 RTD 接口和構(gòu)建模塊

顯示了 3 線 RTD 系統(tǒng)。AD7124-4/AD7124-8 包含系統(tǒng)所需的所有構(gòu)建模塊。為了全面優(yōu)化此系統(tǒng)，需要兩個(gè)完全匹配的電流源。這兩個(gè)電流源用于抵消 RTD 的 RL1 和 RL2 產(chǎn)生的引線電阻誤差。一個(gè)激勵(lì)電流流過精密參考電阻 R REF和 RTD，第二個(gè)電流流過引線電阻 RL2 并產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓抵消了 RL1 上的壓降。精密參考電阻上產(chǎn)生的電壓用作 ADC 的參考電壓 REFIN1(±)。

由于使用一個(gè)激勵(lì)電流來生成基準(zhǔn)電壓和 RTD 兩端的電壓，因此電流源精度、失配和失配漂移對整個(gè) ADC 傳遞函數(shù)的影響很小。AD7124-4/AD7124-8 提供激勵(lì)電流值選擇，允許用戶調(diào)整系統(tǒng)，以便使用大部分 ADC 輸入范圍，從而提高性能。

RTD 的低電平輸出電壓需要放大，以便使用 ADC 的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8 的 PGA 可編程增益范圍為 1 至 128，允許客戶在激勵(lì)電流值與增益和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。出于抗混疊和 EMC 目的，傳感器和 ADC 之間需要濾波。參考緩沖器允許濾波器的 R 和 C 元件具有無限值，即這些元件不會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)還需要校準(zhǔn)以消除增益和偏移誤差。圖 1 顯示了經(jīng)過內(nèi)部零刻度和滿刻度校準(zhǔn)后，此 3 線 B 類 RTD 測得的溫度誤差，總體誤差遠(yuǎn)小于 ±1oC。

對于使用單個(gè) RTD 的系統(tǒng)，將精密參考電阻置于 RTD 的高端效果很好。當(dāng)需要多個(gè) RTD 時(shí)，精密電阻應(yīng)置于低端，因此參考電阻由所有 RTD 傳感器共享。對于此實(shí)現(xiàn)，需要更好的激勵(lì)電流匹配和匹配漂移。為了最大限度地減少由于激勵(lì)電流源不匹配而導(dǎo)致的誤差，可以使用兩種不同的技術(shù)：

1) 使用 AD7124-4/AD7124-8 的交叉多路復(fù)用器功能、精密參考電阻和 ADC 的內(nèi)部低漂移參考電壓測量兩個(gè)單獨(dú)的電流

2) 執(zhí)行系統(tǒng)斬波，將電流交換至 RTD 的不同側(cè)，并使用兩個(gè)結(jié)果的平均值來總體計(jì)算溫度。

4 線 RTD 接口和構(gòu)建模塊

4 線 RTD 測量僅需要一個(gè)激勵(lì)電流源。圖 2 顯示了 4 線 RTD 系統(tǒng)。與 3 線 RTD 系統(tǒng)一樣，使用的參考輸入是 REFIN1(±)，并且啟用了參考緩沖器以允許無限的抗混疊或 EMC 濾波。流過 RTD 的電流也流過精密參考電阻 R REF，該電阻用于為 ADC 生成參考電壓，這種配置導(dǎo)致參考電壓與 RTD 上產(chǎn)生的電壓之間的比率測量。

比率配置可確保激勵(lì)電流值的變化不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。顯示了在內(nèi)部零電平和滿量程校準(zhǔn)后測量的 4 線 B 類 RTD 的 RTD 溫度誤差。與 3 線配置類似，記錄的總誤差遠(yuǎn)小于 ±1oC。

ADC 要求

對于溫度系統(tǒng)，測量主要是低速的(通常每秒最多 100 個(gè)樣本)。因此，需要低帶寬 ADC。但是，ADC 必須具有高分辨率。Sigma-delta (SD) ADC 適合這些應(yīng)用，因?yàn)榭梢允褂?SD 架構(gòu)開發(fā)低帶寬、高分辨率 ADC。

使用 Sigma Delta 轉(zhuǎn)換器，模擬輸入被連續(xù)采樣，采樣頻率遠(yuǎn)高于目標(biāo)頻帶。它們還使用噪聲整形，將噪聲從目標(biāo)頻帶推入轉(zhuǎn)換過程未使用的區(qū)域，從而進(jìn)一步降低目標(biāo)頻帶中的噪聲。數(shù)字濾波器會(huì)衰減目標(biāo)頻帶之外的任何信號(hào)。

數(shù)字濾波器確實(shí)有采樣頻率和采樣頻率倍數(shù)的圖像。因此，需要一些外部抗混疊濾波器。但是，由于過采樣，簡單的一階 RC 濾波器足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。SD 架構(gòu)允許開發(fā) 24 位 ADC，其 pp 分辨率高達(dá) 21.7 位(21.7 個(gè)穩(wěn)定或無閃爍位)。

濾波(50 Hz / 60 Hz 抑制)

除了前面討論過的抑制噪聲之外，數(shù)字濾波器還可提供 50/60 Hz 抑制。當(dāng)系統(tǒng)由主電源供電時(shí)，干擾發(fā)生在 50 Hz 或 60 Hz 處。在歐洲，主電源產(chǎn)生的頻率為 50Hz 及其倍數(shù)，在美國則為 60 Hz 及其倍數(shù)。低帶寬 ADC 主要使用 sinc 濾波器，該濾波器可編程為在 50 Hz 和/或 60 Hz 以及 50 Hz 和 60 Hz 的倍數(shù)處設(shè)置陷波，從而提供 50/60 Hz 及其倍數(shù)的抑制。越來越需要使用具有較短建立時(shí)間的濾波方法來提供 50/60 Hz 抑制。在多通道系統(tǒng)中，ADC 通過所有啟用的通道進(jìn)行序列處理，并在每個(gè)通道上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換。

選擇一個(gè)通道后，需要濾波器建立時(shí)間來生成有效轉(zhuǎn)換。如果建立時(shí)間減少，則在給定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)會(huì)增加。AD7124-4/AD7124-8 包括后置濾波器或 FIR 濾波器，與 sinc 3 或 sinc 4 濾波器相比，它們可以在更短的建立時(shí)間內(nèi)同時(shí)提供 50/60 Hz 抑制。顯示了一個(gè)數(shù)字濾波器選項(xiàng)：此后置濾波器的建立時(shí)間為 41.53 ms，并提供 62 dB 的同時(shí) 50/60 Hz 抑制。

其他 ADC 要求

電源

系統(tǒng)中消耗的電流取決于最終應(yīng)用。在某些工業(yè)應(yīng)用中，例如工廠的溫度監(jiān)測，包含傳感器、ADC 和微控制器的完整溫度系統(tǒng)包含在獨(dú)立電路板上，由 4 – 20 mA 環(huán)路供電。因此，獨(dú)立電路板的最大電流預(yù)算為 4 mA。在用于分析礦井中存在的氣體的便攜式設(shè)備(例如氣體分析儀)中，必須與氣體分析一起測量溫度。這些系統(tǒng)由電池供電，目的是最大限度地延長電池的使用壽命。

在這些應(yīng)用中，低功耗必不可少，但高性能仍必不可少。在過程控制應(yīng)用中，系統(tǒng)可以允許更多的電流。對于這種類型的應(yīng)用，要求可能是在一定時(shí)間內(nèi)按順序處理更多通道數(shù)，同時(shí)仍達(dá)到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8 包含 3 種功耗模式，用戶可通過其中一個(gè)寄存器中的 2 位進(jìn)行選擇。所選的功耗模式?jīng)Q定了輸出數(shù)據(jù)速率的范圍以及片上模擬模塊消耗的電流。因此，對于環(huán)路供電或電池供電系統(tǒng)，該部件可以在中功率或低功耗模式下運(yùn)行。在過程控制系統(tǒng)中，該部件可以在全功率模式下運(yùn)行，此時(shí)更高的電流消耗可提高性能。

診斷

診斷在工業(yè)應(yīng)用中變得越來越重要。典型的診斷要求包括：

電源/參考電壓/模擬輸入監(jiān)控

開路檢測

轉(zhuǎn)換/校準(zhǔn)檢查

信號(hào)鏈功能檢查

讀/寫監(jiān)控

寄存器內(nèi)容監(jiān)控

對于為故障安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，片上診斷功能可幫助客戶節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、外部元件、電路板空間和成本。AD7124-4/AD7124-8 等器件包含上述診斷功能。根據(jù) IEC 61508，使用該器件的典型溫度應(yīng)用的故障模式影響和診斷分析 (FMEDA) 顯示安全故障率 (SFF) 大于 90%。通常需要兩個(gè)傳統(tǒng) ADC 才能提供這種級(jí)別的覆蓋率。

結(jié)論

溫度測量系統(tǒng)對 ADC 和系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格。這些傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)很小，必須通過噪聲較低的增益級(jí)進(jìn)行放大，以確保增益級(jí)的噪聲不會(huì)淹沒來自傳感器的信號(hào)。放大器之后需要一個(gè)高分辨率 ADC，以便將來自傳感器的低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。使用 SD 架構(gòu)的 ADC 適用于此類應(yīng)用，因?yàn)榭梢允褂眠@些架構(gòu)開發(fā)高分辨率、高精度 ADC。除了 ADC 和增益級(jí)外，溫度系統(tǒng)還需要其他組件，例如激勵(lì)電流和參考緩沖器。

最后，終端應(yīng)用決定了系統(tǒng)允許的電流預(yù)算。便攜式或環(huán)路供電系統(tǒng)必須使用低功耗組件，并且由于包含冗余以實(shí)現(xiàn)故障安全系統(tǒng)，因此每個(gè)組件的電流消耗限額進(jìn)一步降低。對于輸入模塊等系統(tǒng)，希望在更高的吞吐量下實(shí)現(xiàn)一定的性能水平，從而增加通道密度。使用具有多種功率模式的設(shè)備可以減輕用戶的負(fù)擔(dān)，因?yàn)橐粋€(gè) ADC 可以設(shè)計(jì)到多個(gè)終端系統(tǒng)中，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。