RTC溫度測量系統的ADC要求

作者：Mary McCarthy and Aine McCarthy

有幾種類型的溫度傳感器可用于溫度系統。使用的溫度傳感器取決于被測溫度范圍和所需的精度。與傳感器一樣，溫度系統的精度取決于傳感器所連接的模數轉換器（ADC）的性能。在許多情況下，由于來自傳感器的信號幅度非常小，因此需要高分辨率ADC。Σ-Δ型ADC是高分辨率器件，因此適用于這些系統。它們還嵌入了片內附加電路，這是激勵電流和基準電壓緩沖器等溫度系統所必需的。本文介紹常用的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。

即時熱飲器

RTD 可用于測量 –200°C 至 +800°C 范圍內的溫度，這些器件在此溫度范圍內具有近乎線性的響應。用于RTD的典型元素是鎳，銅和鉑，其中100 Ω和1000 Ω鉑RTD是最常見的。RTD 由 2 線、3 線或 4 線版本組成，其中最常用的是 3 線和 4 線版本。這些是無源傳感器，需要激勵電流來產生輸出電壓。這種RTD的輸出電壓電平從幾十毫伏到幾百毫伏不等，具體取決于所選擇的RTD。

3線RTD接口和構建模塊

圖1所示為3線RTD系統。AD7124-4/AD7124-8包括系統所需的所有構建模塊。為了充分優化該系統，需要兩個相同匹配的電流源。這兩個電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過兩個精密基準電阻 R裁判和 RTD。第二個電流流過引線電阻RL2并產生一個電壓，以抵消RL1兩端的壓降。精密基準電阻兩端產生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1（±）。由于使用一個激勵電流來產生基準電壓和RTD兩端的電壓，因此電流源精度、失配和失配漂移對整個ADC傳遞函數的影響最小。AD7124-4/AD7124-8提供激勵電流值選擇，允許用戶調整系統，以便使用大部分ADC輸入范圍，從而提高性能。

圖1.3線RTD溫度系統。

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可在1至128的增益范圍內進行編程，允許客戶在激勵電流值與增益和性能之間進行權衡。傳感器和ADC之間需要進行濾波，以實現抗混疊和EMC目的。參考緩沖器允許濾波器的R和C分量具有無限的值;例如，這些組件不會影響測量的準確性。

系統中還需要校準以消除增益和失調誤差。圖2顯示了該3線B類RTD在內部零電平和滿量程校準后測得的溫度誤差，總誤差遠小于±1°C。

圖2.3線RTD溫度系統。

在RTD的高端設置精密基準電阻器適用于使用單個RTD的系統。當需要多個RTD時，精密電阻應放置在低端，使基準電阻在所有RTD傳感器之間共享。對于這種實現，需要更好的激勵電流匹配和匹配漂移。為了盡量減少由于激勵電流源不匹配引起的誤差，可以使用兩種不同的技術：

使用AD7124-4/AD7124-8的交叉多路復用器功能、精密基準電阻和ADC的內部低漂移基準電壓源測量兩個單獨的電流。

執行系統斬波，其中電流交換到RTD的不同側，并將兩個結果的平均值用于溫度的整體計算。

4線RTD接口和構建模塊

4線RTD測量只需要一個激勵電流源。圖3所示為4線RTD系統。與3線RTD系統一樣，使用的基準輸入為REFIN1（±），基準電壓緩沖器使能以允許無限制的抗混疊或EMC濾波。流過RTD的電流也流過精密基準電阻R。裁判，用于生成 ADC 的基準電壓。這種配置導致基準電壓與RTD兩端產生的電壓之間的比率測量。比率式配置可確保激勵電流值的變化不會影響整個系統精度。圖4顯示了4線B類RTD在內部零電平和滿量程校準后測得的RTD溫度誤差。與3線配置類似，記錄的總誤差遠小于±1°C。

圖3.4線RTD溫度系統。

圖4.4線RTD溫度系統。

模數轉換器要求

對于溫度系統，測量主要是低速（通常每秒最多 100 個樣本）。因此，需要低帶寬ADC，但ADC必須具有高分辨率。Σ-Δ型ADC適用于這些應用，因為可以使用Σ-Δ架構開發低帶寬、高分辨率ADC。

使用Σ-Δ轉換器時，模擬輸入連續采樣，采樣頻率遠高于目標頻帶。它們還使用噪聲整形，將噪聲從目標頻段推到轉換過程未使用的區域，從而進一步降低目標頻段中的噪聲。數字濾波器衰減目標頻帶外的任何信號。

數字濾波器具有采樣頻率和采樣頻率倍數的圖像。因此，需要一些外部抗混疊濾波器。然而，由于過采樣，一個簡單的一階RC濾波器足以滿足大多數應用的需求。Σ-Δ架構允許開發峰峰值分辨率高達21.7位（21.7個穩定或無閃爍位）的24位ADC。

濾波（50 Hz/60 Hz 抑制）

除了如前所述抑制噪聲外，數字濾波器還可用于提供50 Hz/60 Hz抑制。當系統由主電源運行時，干擾發生在 50 Hz 或 60 Hz 時。在歐洲有 50 Hz 及其倍數的電源生成頻率，在美國有 60 Hz 及其倍數的電源生成頻率。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器，可通過編程將陷波設置為50 Hz和/或60 Hz以及50 Hz和60 Hz的倍數，從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數的抑制。使用建立時間短的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制的需求越來越高。在多通道系統中，ADC通過所有使能通道進行時序控制，在每個通道上生成轉換。選擇通道時，需要濾波器建立時間才能生成有效的轉換。如果建立時間縮短，則在給定時間段內轉換的通道數會增加。AD7124-4/AD7124-8內置后置濾波器或FIR濾波器，與sinc3或sinc4濾波器相比，可在更短的建立時間內提供50 Hz/60 Hz同步抑制。圖5顯示了一個數字濾波器選項，該后置濾波器的建立時間為41.53 ms，同時提供62 dB的50 Hz/60 Hz抑制。

圖5.頻率響應，后置濾波器，25 sps a） 直流至 600 Hz，b） 40 Hz 至 70 Hz。

其他模數轉換器要求

權力

系統中消耗的電流取決于最終應用。在一些工業應用中，例如工廠的溫度監控，包含傳感器、ADC和微控制器的完整溫度系統包含在一個獨立板上，該板由4 mA至20 mA環路供電。因此，獨立板的當前預算最大為4 mA。在便攜式設備中，例如用于分析礦井中存在的氣體的氣體分析儀，溫度必須與氣體分析一起測量。這些系統由電池操作，目的是最大限度地延長電池的使用壽命。在這些應用中，低功耗是必不可少的，但仍需要高性能。在過程控制應用中，系統可以允許更大的電流。對于這種類型的應用，要求可能是在一定時間內通過更高的通道數進行排序，同時仍能達到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三種電源模式，用戶可通過其中一個寄存器中的2位進行選擇。選擇的電源模式決定了輸出數據速率的范圍以及片內模擬模塊消耗的電流。因此，該器件可在中功率或低功耗模式下工作，適用于環路供電或電池供電系統。在過程控制系統中，該器件可以在全功率模式下運行，此時更高的電流消耗可提高性能。

診斷

診斷在工業應用中變得越來越重要。典型的診斷要求是

電源/基準電壓/模擬輸入監控

開路檢測

轉換/校準檢查

信號鏈功能檢查

讀/寫監控

注冊內容監控

對于專為故障安全應用而設計的系統，片上診斷可為客戶節省設計時間、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IEC 61508，使用該器件的典型溫度應用的故障模式影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分數（SFF）大于90%。通常需要兩個傳統的ADC來提供這種級別的覆蓋范圍。

結論

溫度測量系統的ADC和系統要求非常嚴格。這些傳感器產生的模擬信號很小，必須由噪聲較低的增益級放大，以確保增益級的噪聲不會淹沒來自傳感器的信號。在放大器之后，需要一個高分辨率ADC，以便將來自傳感器的低電平信號轉換為數字信息。采用Σ-Δ架構的ADC適用于此類應用，因為可以使用這些架構開發高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益級外，溫度系統還需要激勵電流和基準電壓緩沖器等其他元件。最后，最終應用程序決定了系統允許的當前預算。便攜式或環路供電系統必須使用低功耗組件，并且由于故障安全系統包含冗余，這進一步降低了每個組件的電流消耗余量。對于輸入模塊等系統，希望在更高的吞吐量下獲得一定水平的性能，從而提高通道密度。使用具有多種電源模式的器件可減輕用戶在一個ADC中的負擔，該ADC可以設計到多個終端系統中，從而縮短設計時間。

審核編輯：郭婷