RTC温度测量系统的ADC要求

作者：Mary McCarthy and Aine McCarthy

有几种类型的温度传感器可用于温度系统。使用的温度传感器取决于被测温度范围和所需的精度。与传感器一样，温度系统的精度取决于传感器所连接的模数转换器（ADC）的性能。在许多情况下，由于来自传感器的信号幅度非常小，因此需要高分辨率ADC。Σ-Δ型ADC是高分辨率器件，因此适用于这些系统。它们还嵌入了片内附加电路，这是激励电流和基准电压缓冲器等温度系统所必需的。本文介绍常用的3线和4线电阻温度检测器（RTD）。它描述了将传感器连接到ADC所需的电路，并解释了ADC所需的性能要求。

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RTD 可用于测量 –200°C 至 +800°C 范围内的温度，这些器件在此温度范围内具有近乎线性的响应。用于RTD的典型元素是镍，铜和铂，其中100 Ω和1000 Ω铂RTD是最常见的。RTD 由 2 线、3 线或 4 线版本组成，其中最常用的是 3 线和 4 线版本。这些是无源传感器，需要激励电流来产生输出电压。这种RTD的输出电压电平从几十毫伏到几百毫伏不等，具体取决于所选择的RTD。

3线RTD接口和构建模块

图1所示为3线RTD系统。AD7124-4/AD7124-8包括系统所需的所有构建模块。为了充分优化该系统，需要两个相同匹配的电流源。这两个电流源用于抵消RTD的RL1和RL2产生的引线电阻误差。一个激励电流流过两个精密基准电阻 R裁判和 RTD。第二个电流流过引线电阻RL2并产生一个电压，以抵消RL1两端的压降。精密基准电阻两端产生的电压用作ADC的基准电压REFIN1（±）。由于使用一个激励电流来产生基准电压和RTD两端的电压，因此电流源精度、失配和失配漂移对整个ADC传递函数的影响最小。AD7124-4/AD7124-8提供激励电流值选择，允许用户调整系统，以便使用大部分ADC输入范围，从而提高性能。

图1.3线RTD温度系统。

RTD的低电平输出电压需要放大，以便使用ADC的大部分输入范围。AD7124-4/AD7124-8的PGA可在1至128的增益范围内进行编程，允许客户在激励电流值与增益和性能之间进行权衡。传感器和ADC之间需要进行滤波，以实现抗混叠和EMC目的。参考缓冲器允许滤波器的R和C分量具有无限的值;例如，这些组件不会影响测量的准确性。

系统中还需要校准以消除增益和失调误差。图2显示了该3线B类RTD在内部零电平和满量程校准后测得的温度误差，总误差远小于±1°C。

图2.3线RTD温度系统。

在RTD的高端设置精密基准电阻器适用于使用单个RTD的系统。当需要多个RTD时，精密电阻应放置在低端，使基准电阻在所有RTD传感器之间共享。对于这种实现，需要更好的激励电流匹配和匹配漂移。为了尽量减少由于激励电流源不匹配引起的误差，可以使用两种不同的技术：

使用AD7124-4/AD7124-8的交叉多路复用器功能、精密基准电阻和ADC的内部低漂移基准电压源测量两个单独的电流。

执行系统斩波，其中电流交换到RTD的不同侧，并将两个结果的平均值用于温度的整体计算。

4线RTD接口和构建模块

4线RTD测量只需要一个激励电流源。图3所示为4线RTD系统。与3线RTD系统一样，使用的基准输入为REFIN1（±），基准电压缓冲器使能以允许无限制的抗混叠或EMC滤波。流过RTD的电流也流过精密基准电阻R。裁判，用于生成 ADC 的基准电压。这种配置导致基准电压与RTD两端产生的电压之间的比率测量。比率式配置可确保激励电流值的变化不会影响整个系统精度。图4显示了4线B类RTD在内部零电平和满量程校准后测得的RTD温度误差。与3线配置类似，记录的总误差远小于±1°C。

图3.4线RTD温度系统。

图4.4线RTD温度系统。

模数转换器要求

对于温度系统，测量主要是低速（通常每秒最多 100 个样本）。因此，需要低带宽ADC，但ADC必须具有高分辨率。Σ-Δ型ADC适用于这些应用，因为可以使用Σ-Δ架构开发低带宽、高分辨率ADC。

使用Σ-Δ转换器时，模拟输入连续采样，采样频率远高于目标频带。它们还使用噪声整形，将噪声从目标频段推到转换过程未使用的区域，从而进一步降低目标频段中的噪声。数字滤波器衰减目标频带外的任何信号。

数字滤波器具有采样频率和采样频率倍数的图像。因此，需要一些外部抗混叠滤波器。然而，由于过采样，一个简单的一阶RC滤波器足以满足大多数应用的需求。Σ-Δ架构允许开发峰峰值分辨率高达21.7位（21.7个稳定或无闪烁位）的24位ADC。

滤波（50 Hz/60 Hz 抑制）

除了如前所述抑制噪声外，数字滤波器还可用于提供50 Hz/60 Hz抑制。当系统由主电源运行时，干扰发生在 50 Hz 或 60 Hz 时。在欧洲有 50 Hz 及其倍数的电源生成频率，在美国有 60 Hz 及其倍数的电源生成频率。低带宽ADC主要使用sinc滤波器，可通过编程将陷波设置为50 Hz和/或60 Hz以及50 Hz和60 Hz的倍数，从而提供50 Hz/60 Hz及其倍数的抑制。使用建立时间短的滤波方法提供50 Hz/60 Hz抑制的需求越来越高。在多通道系统中，ADC通过所有使能通道进行时序控制，在每个通道上生成转换。选择通道时，需要滤波器建立时间才能生成有效的转换。如果建立时间缩短，则在给定时间段内转换的通道数会增加。AD7124-4/AD7124-8内置后置滤波器或FIR滤波器，与sinc3或sinc4滤波器相比，可在更短的建立时间内提供50 Hz/60 Hz同步抑制。图5显示了一个数字滤波器选项，该后置滤波器的建立时间为41.53 ms，同时提供62 dB的50 Hz/60 Hz抑制。

图5.频率响应，后置滤波器，25 sps a） 直流至 600 Hz，b） 40 Hz 至 70 Hz。

其他模数转换器要求

权力

系统中消耗的电流取决于最终应用。在一些工业应用中，例如工厂的温度监控，包含传感器、ADC和微控制器的完整温度系统包含在一个独立板上，该板由4 mA至20 mA环路供电。因此，独立板的当前预算最大为4 mA。在便携式设备中，例如用于分析矿井中存在的气体的气体分析仪，温度必须与气体分析一起测量。这些系统由电池操作，目的是最大限度地延长电池的使用寿命。在这些应用中，低功耗是必不可少的，但仍需要高性能。在过程控制应用中，系统可以允许更大的电流。对于这种类型的应用，要求可能是在一定时间内通过更高的通道数进行排序，同时仍能达到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三种电源模式，用户可通过其中一个寄存器中的2位进行选择。选择的电源模式决定了输出数据速率的范围以及片内模拟模块消耗的电流。因此，该器件可在中功率或低功耗模式下工作，适用于环路供电或电池供电系统。在过程控制系统中，该器件可以在全功率模式下运行，此时更高的电流消耗可提高性能。

诊断

诊断在工业应用中变得越来越重要。典型的诊断要求是

电源/基准电压/模拟输入监控

开路检测

转换/校准检查

信号链功能检查

读/写监控

注册内容监控

对于专为故障安全应用而设计的系统，片上诊断可为客户节省设计时间、外部元件、电路板空间和成本。AD7124-4/AD7124-8等器件包含上述诊断功能。根据IEC 61508，使用该器件的典型温度应用的故障模式影响和诊断分析（FMEDA）显示安全故障分数（SFF）大于90%。通常需要两个传统的ADC来提供这种级别的覆盖范围。

结论

温度测量系统的ADC和系统要求非常严格。这些传感器产生的模拟信号很小，必须由噪声较低的增益级放大，以确保增益级的噪声不会淹没来自传感器的信号。在放大器之后，需要一个高分辨率ADC，以便将来自传感器的低电平信号转换为数字信息。采用Σ-Δ架构的ADC适用于此类应用，因为可以使用这些架构开发高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益级外，温度系统还需要激励电流和基准电压缓冲器等其他元件。最后，最终应用程序决定了系统允许的当前预算。便携式或环路供电系统必须使用低功耗组件，并且由于故障安全系统包含冗余，这进一步降低了每个组件的电流消耗余量。对于输入模块等系统，希望在更高的吞吐量下获得一定水平的性能，从而提高通道密度。使用具有多种电源模式的器件可减轻用户在一个ADC中的负担，该ADC可以设计到多个终端系统中，从而缩短设计时间。

审核编辑：郭婷