131 1300 0010
2線RTD連接圖
2線RTD配置是最簡(jiǎn)單的配置，如圖6所示。2線配置只需要一個(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線配置是三種接線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，則誤差將很大。例如，25英尺長(zhǎng)的24 AWG銅線的等效電阻為：0.026Ω/英尺（0.08Ω/米）× 2 × 25英尺 = 1.3Ω。因此，1.3Ω導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的誤差為：（1.3/0.385） = 3.38°C（近似值）。導(dǎo)線電阻還會(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RTD模擬輸入配置測(cè)量
3線RTD連接圖
使用3線RTD配置可以大幅改善2線RTD配置的引線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RTD模擬輸入配置測(cè)量
圖7.單個(gè)和多個(gè)3線RTD模擬輸入配置測(cè)量
有兩種方法可以配置3線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引線電阻，產(chǎn)生的電壓抵消RL1引線電阻上的壓降。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CN-0383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
該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計(jì)，允許客戶調(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，或者要更深入地了解轉(zhuǎn)換時(shí)序，VirtualEval在線工具可提供相關(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配置是否滿足整體目標(biāo)精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統(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：
這些診斷使得解決方案更強(qiáng)大。根據(jù)IEC 61508，典型3線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RTD實(shí)現(xiàn)方案的誤差更接近誤差邊界的下限，而3線或4線RTD實(shí)現(xiàn)方案的總體誤差完全在允許限值以內(nèi)。2線測(cè)量中的較高誤差源于前面所述的引線電阻誤差。
圖9.RTD誤差源計(jì)算程序
圖10.2-/3-/4-線RTD溫度精度測(cè)量后置濾波器，低功耗模式，25 SPS
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（CN-0383）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。
作者簡(jiǎn)介
Jellenie Rodriguez是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的一名應(yīng)用工程師。她主要關(guān)注用于直流測(cè)量的精密Σ-Δ型ADC。她于2012年加入ADI公司，2011年畢業(yè)于San SebasTIan College-Recoletos de Cavite，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。
作者簡(jiǎn)介
Mary McCarthy是ADI公司應(yīng)用工程師。她于1991年加入ADI公司，在愛(ài)爾蘭科克市的線性與精密技術(shù)應(yīng)用部工作，主要關(guān)注精密Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器。她于1991年畢業(yè)于科克大學(xué)，獲得電子與電氣工程學(xué)士學(xué)位。
