带三线 kSPS、单电源、完全隔离式RTD温度测量系统

时间: 2024-07-31 12:33:37 |   作者: 软启动器

  。该系统可处理Pt100 RTD输出，集成创新电路，通过标准三线式连接实现引线 V供电。室温校准后，在10C温度变化范围内的总误差不超过0.24% FSR，是各种工业温度测量应用的理想之选。

  对于精度、成本和尺寸极为关键的温度测量应用，该电路的小巧尺寸使得该组合成为业界领先的温度测量解决方案。数据和电源相互隔离，因而该电路具有非常出色的高电压耐受性，同时还能有很大成效避免恶劣工业环境下常见的接地环路干扰问题。

  这款实现三线式RTD引线补偿的创新电路，由保加利亚瓦尔纳技术大学电子工程和微电子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程师和博士生Stanimir Krasimirov Stankov开发。

  图1. 带隔离的电阻偏差至数字转换，使用Pt100 RTD传感器(未显示去耦和所有连接)

  该电路的输入级是一个RTD信号调理电路，采用补偿三线式连接RTD。该电路将RTD输入电阻范围(100 至212.05 ，0C至300C温度范围)转换至兼容ADC输入范围(0 V至2.5 V)的电压电平。

  RTD激励电流由运算放大器U1C提供，等于四通道AD8608的四分之一。100 mV基准电压VR由2.5 V ADC基准电压驱动的R8/R9分频器产生，进而生成VR/(R1R2) RTD激励电流，数值约为1.05 mA。

  激励电流在RTD两端产生数值约为117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的电压变化，温度变化范围为0C至300C。U1A运算放大器将该电压变化放大19.6倍，产生2.3 V输出范围。电阻R2与电阻R1并联，对输出范围进行电平转换，以便U1A运算放大器输出0.1 V至2.4 V，从而匹配ADC的输入范围(0 V至2.5 V)，同时提供100 mV裕量以保持线性度性能。可以修改电阻值，以适应本电路笔记后面部分所述的其他常用温度范围。

  考虑到器件的容差，最小输出电压(范围下限)设为100 mV，以提供安全裕量。输出范围的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅提供100 mV的裕量。因此，运算放大器的标称输出电压范围为0.1 V至2.4 V。

  本应用中选用四通道运算放大器AD8608的原因是该器件具有低失调电压(最大值75 V)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/Hz)等特性。在3.3V电源下，功耗仅为18.5 mW。

  U1D运算放大器提供三线式校正信号，可补偿引线产生的误差。从点A到TP1的增益为+19.6，从点B到TP1的增益为39.2。点A处的电压含有正误差项，数值等于r1和r2上的压降。点B处的电压含有正误差项，数值等于r2上的压降，可忽略r3上的小数值压降。由于点B到TP1的增益为负且数值等于点A到TP1增益的两倍，因此r1和r2上的压降产生的误差抵消(假定r1 = r2)。

  运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R11/C9)，用于降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz。在有低频工业噪声的情况下，额外的二阶滤波器(增加电容C10和C11)用于降低滤波器截止频率。此时，AD7091R将不会工作在最大吞吐速率下。为提升转换速度，请勿填充C10和C11。

  采用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包括ADuM5401隔离器)约为20 mW。

  电流隔离由四通道数字隔离器ADuM5401(C级)提供。除了隔离输出数据以外，ADuM5401还为该电路提供隔离+3.3 V电源。除非需要隔离，否则电路正常运行时并不是特别需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔离器集成DC/DC转换器，采用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。

  AD7091R需要50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能实现1 MSPS的采样速率。然而，ADuM5401(C级)隔离器的最大数据速率为25 Mbps，对应的最大串行时钟频率为12.5 MHz。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因此，ADuM5401的总双向传播延迟(最大值120 ns)将时钟上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。

  尽管AD7091R是一款12位ADC，但串行数据同样被格式化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因此，采样周期TS包括AD7091R 650 ns的转换时间加上58 ns(数据手册要求的额外时间，t1延迟 + tQUIET延迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

  为了提供安全裕量，建议将SCLK和采样速率的最大值分别设为7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口可以用12引脚且兼容Pmod的连接器(Digilent Pmod规格)连接到微处理器评估板。

  图2所示电路可将100 至212.05 的RTD电阻变化转换为0.1 V至2.4 V的输出电压变化，兼容ADC输入范围。此外，该电路还可消除与导线中电路的传递函数可通过叠加原理得到：

  等式3显示若满足等式2，则引脚线路电阻完全得到补偿。通过调节R4/R3的比例，可将增益设为所需的数值。

  现在，必须将电路的输出失调设为0.1 V。使输出发生偏移的一种简单方法是让电阻R1略为低于R0。注意，这样会成比例影响增益。0.1 V输出失调约为2.3 V总范围的4.35%，因此比例R1/R0必须低于0.9565。若要保持高输出电平为2.4 V，则比例R4/R3可按比例校正。例如，R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 k。使用图1中的标准电阻值，则电路可提供所需增益和输出失调的良好近似值。通过将电阻R2 = 1.91 k与电阻R1 = 100 并联连接，可形成R1。

  对于任何其他温度范围，或任何其他温度传感器而言(比如Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000)，电阻值必须如下所示重新计算：

  等式1表示所有电阻都会对总误差产生一定的影响。如果仔细选择这些值，因使用替代标准值电阻导致的总误差可降至几个百分点以下。然而，应通过等式1来重新计算U1A运算放大器在100 和212.05 输入下的输出，以确保维持所需裕量。在实际电路中，选择最接近现有标准的电阻值。电阻Rl、R2、R8和R9为0.1%、25 ppm/C。电路中的其他电阻为1%、100 ppm/C：R3、R4、R5、R6和R12。

  这类电路的绝对精度主要根据电阻，因此，有必要进行增益和失调校准，以消除因替代标准值电阻和电阻容差导致的误差。

  公式1表明，输出电压与以下九个电阻相关：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。

  236 ppm/C的满量程漂移对应于0.024% FSR/C。若温度发生10C变化，则误差为0.24% FSR。

  完成校准过程后，电阻容差导致的误差、AD8608运算放大器(75 V)以及ADC AD7091R产生的失调均被消除。依然有必要计算并验证运算放大器输出在所需的范围内。

  请注意，如果采用50 ppm/C或100 ppm/C电阻，则总漂移的最大来源是电阻漂移，有源元件产生的漂移可忽略。

  引脚线中的电路可针对引脚线)进行完全补偿。然而，若等式3有任何失配，则引脚线会对测量产生误差。第三个引脚线不会对电路产生一定的影响，因为它与U1D的高阻抗输入相连。

  RTD线中的电路就RTD的电阻变化而言是线性的。然而，RTD传递函数(电阻与温度的关系)是非线性的。因此，有必要进行线性化，以消除RTD的非线性误差。对于涉及到微控制器的系统而言，一般会用软件来完成线应用笔记讨论了有关Pt100 RTD传感器的部分线评估软件中采用了同样的技术来消除Pt100传感器的非线性误差。

  在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。该系统的PCB采用简单的双层板堆叠而成，但采用4层板能够获得更好的EMS性能。有关布局和接地的详细论述，请参见MT-031指南;有关去耦技术的信息，请参见MT-101指南。AD8608的电源应当用10 F和0.1 F电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，0.1 F电容应具有低ESR值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转换器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请注意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需要低ESR旁路电容，这些电容应尽可能靠近芯片焊盘。为了抑制噪声并降低纹波，至少需要并联两个电容。针对VDD1和VISO，推荐的电容值是0.1 F和10 F。较小的电容一定要有低ESR，建议使用陶瓷电容。低ESR电容末端到输入电源引脚的走线 mm。如果旁路电容的走线 mm，可能会破坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间实现旁路，除非两个公共地引脚靠近封装连在一起。更多信息请参考ADuM5401数据手册。

  这款PCB依据2500 V基本绝缘规范而设计。不建议进行2500 V以上的高电压测试。在高电压下使用该评估板时必须谨慎，而且不得依赖该PCB来实现安全功能，因为它未经过高电位测试(也称为高压测试或耐压绝缘测试)，也未通过安全认证。

  经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并拥有非常良好的精度。可在该配置中采用其他精密运算放大器和其他ADC，以将电阻偏差输入范围转换成数字输出，用于本电路的各种其他应用中。

  可依据“电路设计”部分的建议，针对0C至300oC范围以外的输入温度重新设计图1中的电路。表1显示使用Pt100 RTD传感器时，部分标准温度范围的计算结果。

  AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、

  放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

   十倍频程精密电阻箱或Pt100传感器(若无电阻箱，可执行校准过程)

  将CN0337评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。也可以从CN0337评估软件中下载最新版的评估软件。打开“My Computer”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开setup.exe文件。按照屏幕提示完成安装。建议将所有软件安装在默认位置。

  启动评估软件。如果“设备管理器”中出现“Analog Devices System Development Platform(ADI系统开发平台)”驱动器，软件便能与SDP板通信。一旦USB通信建立，就能够正常的使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行数据。可将输入温度值(电阻值)等各种数据保存到电脑中。有关怎么样去使用评估软件来捕捉数据的详情信息，请参阅CN0337软件用户指南。

  David Krakauer，数字隔离提供紧凑的低成本解决方案，积极应对设计挑战，模拟对线：实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团，ADI公司。