【導讀】有多種類型的溫度傳感器可以用于溫度測量系統。具體使用何種溫度傳感器，取決于所測量的溫度范圍和所需的精度。溫度測量系統的精度取決于傳感器以及傳感器所接口的模數轉換器(ADC)的性能。許多情況下，來自傳感器的信號幅度非常小，因而需要高分辨率ADC。Σ-Δ型ADC屬于高分辨率器件，適合這些系統。其片內還嵌入了溫度測量系統所需的其它電路，如激勵電流和基準電壓緩沖器等。
本文介紹常用的3線和4線電阻溫度檢測器(RTD)，以及傳感器與ADC接口所需的電路，并說明對ADC的性能要求。
RTD
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。RTD有2線、3線或4線形式，其中3線和4線形式最為常用。RTD是無源傳感器，需要一個激勵電流來產生輸出電壓。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。
3線RTD接口和構建模塊
圖1顯示了一個3線RTD系統。 AD7124-4/AD7124-8包括該系統所需的全部構建模塊。為了全面優化該系統，需要2個完美匹配的電流源。這兩個電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過精密基準電阻RREF和RTD。另一個電流流過引線電阻RL2，所產生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準電阻上產生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1(±)。由于僅利用一個激勵電流來產生基準電壓和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，允許用戶在激勵電流值和增益與性能之間進行取舍。出于抗混疊和EMC目的，傳感器與ADC之間需要濾波。基準電壓緩沖器支持無限的濾波器R、C元件值，這些元件不會影響測量精度。
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B級RTD在執行內部零電平和滿量程校準后的實測溫度誤差，總誤差遠小于±1°C。
圖2. 3線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RTD的系統。需要多個RTD時，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。有兩種技術可用來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，測量這兩個電流。
2.執行系統斬波，這些電流交換到RTD的不同端，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顯示了一個4線RTD系統。像3線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RTD的電流也會流過精密基準電阻RREF，其用于產生ADC的基準電壓。這種配置導致基準電壓與RTD上產生的電壓之間呈比例關系。比率式配置確保激勵電流值的波動不會影響系統總體精度。圖4顯示了一個4線B級RTD在執行內部零電平和滿量程校準后的實測RTD溫度誤差。與3線配置類似，記錄到的總誤差遠小于±1°C。
圖3. 4線RTD溫度測量系統
圖4. 4線RTD溫度測量系統
ADC要求
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適合此類應用，因為利用Σ-Δ結構能夠開發出低帶寬、高分辨率ADC。
采用Σ-Δ型轉換器時，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，進入轉換過程未使用的區域，從而進一步降低目標頻段內的噪聲。數字濾波器會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，由于過采樣，簡單的一階RC濾波器即足以滿足大部分應用的要求。Σ-Δ架構允許24位ADC實現最高達21.7位的峰峰值分辨率(21.7個穩定或無閃爍位)。
濾波(50 Hz/60 Hz抑制)
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，會發生50 Hz或60 Hz干擾。主電源會產生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。現在越來越多地要求利用建立時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，在每個通道上產生轉換結果。選擇一個通道后，便需要濾波器建立時間以產生有效轉換結果。若縮短建立時間，則可提高給定時間內轉換的通道數。AD7124-4/AD7124-8的后置濾波器或FIR濾波器可提供50 Hz/60 Hz同時抑制，并且其建立時間比sinc3或sinc4濾波器要短。圖5顯示了一個數字濾波器選項，此后置濾波器的建立時間為41.53 ms，并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同時抑制。
圖5. 后置濾波器頻率響應；25 sps，a) DC至600 Hz，b) 40 Hz至70 Hz
其它ADC要求
功耗
系統的功耗取決于最終應用。一些工業應用中，例如工廠中的溫度監控，包括傳感器、ADC和微控制器在內的整個溫度系統都位于一塊采用4 mA至20 mA環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。這些應用中，低功耗至關重要，同時仍然要求高性能。在過程控制應用中，允許系統消耗更多的電流。對于此類應用，設計要求可能是在一定時間內處理更多的通道，同時仍要達到某一性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三種功耗模式，用戶可通過一個寄存器中的2位來選擇。所選的功耗模式決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。在過程控制系統中，該器件可工作在全功率模式下，通過消耗更多的電流來提高性能。
診斷
診斷在工業應用中日益重要。典型的診斷要求包括：
- 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
- 寄存器內容監控
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的設計時間、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%。一般需要兩個傳統ADC才能達到這一水平。
結論
溫度測量系統對ADC和系統的要求非常苛刻。這些傳感器產生的模擬信號很弱，必須用增益級予以放大，同時增益級的噪聲必須非常低，確保其不會淹沒傳感器的信號。放大器之后需接一個高分辨率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適合此類應用，因為利用這種結構能夠開發出高分辨率、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，每個器件的功耗裕量會進一步降低。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的負擔，因為一個ADC可以用于多種終端系統，從而縮短設計時間。
本文轉載自亞德諾半導體。
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