RTD適合測量–200°C至+800°C的溫度，在該溫度范圍內，這些器件的響應接近線(xiàn)性。RTD使用的典型元素有鎳、銅和鉑，100 Ω和1000 Ω鉑制RTD最為常見(jiàn)。RTD有2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)形式，其中3線(xiàn)和4線(xiàn)形式最為常用。RTD是無(wú)源傳感器，需要一個(gè)激勵電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。RTD的輸出電平從數十毫伏到數百毫伏不等，取決于所選的RTD。

 

 

圖1顯示了一個(gè)3線(xiàn)RTD系統。 AD7124-4/AD7124-8包括該系統所需的全部構建模塊。為了全面優(yōu)化該系統，需要2個(gè)完美匹配的電流源。這兩個(gè)電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產(chǎn)生的引線(xiàn)電阻誤差。一個(gè)激勵電流流過(guò)精密基準電阻RREF和RTD。另一個(gè)電流流過(guò)引線(xiàn)電阻RL2，所產(chǎn)生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1(±)。由于僅利用一個(gè)激勵電流來(lái)產(chǎn)生基準電壓和RTD上的電壓，因此，該電流源的精度、失配和失配漂移對ADC整體傳遞函數的影響極小。AD7124-4/AD7124-8允許用戶(hù)選擇激勵電流值，從而調整系統以使用ADC的大部分輸入范圍，提高性能。

 

圖1. 3線(xiàn)RTD溫度測量系統

 

RTD的低電平輸出電壓需要放大，以便利用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可以設置1到128的增益，允許用戶(hù)在激勵電流值和增益與性能之間進(jìn)行取舍。出于抗混疊和EMC目的，傳感器與ADC之間需要濾波?；鶞孰妷壕彌_器支持無(wú)限的濾波器R、C元件值，這些元件不會(huì )影響測量精度。

 

系統還需要校準以消除增益和失調誤差。圖2顯示了此3線(xiàn)B級RTD在執行內部零電平和滿(mǎn)量程校準后的實(shí)測溫度誤差，總誤差遠小于±1°C。

 

圖2. 3線(xiàn)RTD溫度測量系統

 

將精密基準電壓放在RTD高端的配置非常適合采用單個(gè)RTD的系統。需要多個(gè)RTD時(shí)，精密基準電阻應放在低端，以便所有RTD傳感器共用該基準電阻。針對這種方案，激勵電流的匹配和匹配漂移性能必須更好。有兩種技術(shù)可用來(lái)降低激勵電流源失配引起的誤差：

 

1.利用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，測量這兩個(gè)電流。

 

2.執行系統斬波，這些電流交換到RTD的不同端，將兩個(gè)結果的平均值用于溫度的整體計算。

 

 

4線(xiàn)RTD測量只需要一個(gè)激勵電流源。圖3顯示了一個(gè)4線(xiàn)RTD系統。像3線(xiàn)RTD系統一樣，所用的基準輸入為REFIN1(±)，基準電壓緩沖器使能，以支持不受限制的抗混疊或EMC濾波。流經(jīng)RTD的電流也會(huì )流過(guò)精密基準電阻RREF，其用于產(chǎn)生ADC的基準電壓。這種配置導致基準電壓與RTD上產(chǎn)生的電壓之間呈比例關(guān)系。比率式配置確保激勵電流值的波動(dòng)不會(huì )影響系統總體精度。圖4顯示了一個(gè)4線(xiàn)B級RTD在執行內部零電平和滿(mǎn)量程校準后的實(shí)測RTD溫度誤差。與3線(xiàn)配置類(lèi)似，記錄到的總誤差遠小于±1°C。

 

圖3. 4線(xiàn)RTD溫度測量系統

 

圖4. 4線(xiàn)RTD溫度測量系統

 

 

溫度測量系統以低速測量為主(最高速度通常是每秒100次采樣)。因此，這種系統需要低帶寬ADC，但ADC必須有高分辨率。Σ-Δ型ADC適合此類(lèi)應用，因為利用Σ-Δ結構能夠開(kāi)發(fā)出低帶寬、高分辨率ADC。

 

采用Σ-Δ型轉換器時(shí)，對模擬輸入連續采樣，采樣頻率比目標頻段高很多。它還使用噪聲整形，將噪聲推到目標頻段之外，進(jìn)入轉換過(guò)程未使用的區域，從而進(jìn)一步降低目標頻段內的噪聲。數字濾波器會(huì )衰減任何處在目標頻段之外的信號。

 

數字濾波器在采樣頻率和采樣頻率的倍數處有鏡像，因此，需要一些外部抗混疊濾波器。然而，由于過(guò)采樣，簡(jiǎn)單的一階RC濾波器即足以滿(mǎn)足大部分應用的要求。Σ-Δ架構允許24位ADC實(shí)現最高達21.7位的峰峰值分辨率(21.7個(gè)穩定或無(wú)閃爍位)。

 

 

除了如上所述的抑制噪聲以外，數字濾波器還用于提供50 Hz/60 Hz抑制。系統采用主電源供電時(shí)，會(huì )發(fā)生50 Hz或60 Hz干擾。主電源會(huì )產(chǎn)生50 Hz及其倍數(歐洲)和60 Hz及其倍數(美國)的噪聲。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器，可將其陷波頻率設置在50 Hz和/或60 Hz及其倍數處，從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數的抑制?，F在越來(lái)越多地要求利用建立時(shí)間較短的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制。在多通道系統中，ADC順次處理所有使能的通道，在每個(gè)通道上產(chǎn)生轉換結果。選擇一個(gè)通道后，便需要濾波器建立時(shí)間以產(chǎn)生有效轉換結果。若縮短建立時(shí)間，則可提高給定時(shí)間內轉換的通道數。AD7124-4/AD7124-8的后置濾波器或FIR濾波器可提供50 Hz/60 Hz同時(shí)抑制，并且其建立時(shí)間比sinc3或sinc4濾波器要短。圖5顯示了一個(gè)數字濾波器選項，此后置濾波器的建立時(shí)間為41.53 ms，并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同時(shí)抑制。

 

圖5. 后置濾波器頻率響應；25 sps，a) DC至600 Hz，b) 40 Hz至70 Hz

 

功耗
 

系統的功耗取決于最終應用。一些工業(yè)應用中，例如工廠(chǎng)中的溫度監控，包括傳感器、ADC和微控制器在內的整個(gè)溫度系統都位于一塊采用4 mA至20 mA環(huán)路供電的獨立電路板上。因此，獨立電路板的電流預算最大值為4 mA。在便攜式設備中，例如用于分析礦山中存在哪些氣體的氣體分析儀，溫度測量必須與氣體分析一同進(jìn)行。這些系統采用電池供電，其設計目標是要使電池的使用壽命最長(cháng)。這些應用中，低功耗至關(guān)重要，同時(shí)仍然要求高性能。在過(guò)程控制應用中，允許系統消耗更多的電流。對于此類(lèi)應用，設計要求可能是在一定時(shí)間內處理更多的通道，同時(shí)仍要達到某一性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三種功耗模式，用戶(hù)可通過(guò)一個(gè)寄存器中的2位來(lái)選擇。所選的功耗模式?jīng)Q定輸出數據速率的范圍以及片內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，該器件可工作在中功耗或低功耗模式下。在過(guò)程控制系統中，該器件可工作在全功率模式下，通過(guò)消耗更多的電流來(lái)提高性能。

 

 

診斷在工業(yè)應用中日益重要。典型的診斷要求包括：

 

 

對于設計用于故障安全應用的系統，片內診斷功能可節省客戶(hù)的設計時(shí)間、外部元件、電路板空間和成本。AD7124-4/AD7124-8等器件便包括上述診斷特性。根據IEC 61508，使用該器件的典型溫度應用的失效模式影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比例(SFF)大于90%。一般需要兩個(gè)傳統ADC才能達到這一水平。

 

 

溫度測量系統對ADC和系統的要求非?？量?。這些傳感器產(chǎn)生的模擬信號很弱，必須用增益級予以放大，同時(shí)增益級的噪聲必須非常低，確保其不會(huì )淹沒(méi)傳感器的信號。放大器之后需接一個(gè)高分辨率ADC，以將傳感器的低電平信號轉換為數字信息。采用Σ-Δ架構的ADC適合此類(lèi)應用，因為利用這種結構能夠開(kāi)發(fā)出高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益級之外，溫度測量系統還需要其它元件，如激勵電流和基準電壓緩沖器等。最后，最終應用決定系統可以消耗的電流預算。便攜式或環(huán)路供電系統必須使用低功耗器件，加上針對故障安全系統的冗余，每個(gè)器件的功耗裕量會(huì )進(jìn)一步降低。輸入模塊等系統需要在更高吞吐速率下達到某一性能水平，導致通道密度增加。使用具有多種功耗模式的器件可以減輕用戶(hù)的負擔，因為一個(gè)ADC可以用于多種終端系統，從而縮短設計時(shí)間。

 

本文轉載自亞德諾半導體。