常用的3線和4線電阻溫度檢測(cè)器介紹

有多種類(lèi)型的溫度傳感器可以用于溫度測(cè)量系統(tǒng)。具體使用何種溫度傳感器，取決于所測(cè)量的溫度范圍和所需的精度。溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度取決于傳感器以及傳感器所接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能。許多情況下，來(lái)自傳感器的信號(hào)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(tǒng)。其片內(nèi)還嵌入了溫度測(cè)量系統(tǒng)所需的其它電路，如激勵(lì)電流和基準(zhǔn)電壓緩沖器等。本文介紹常用的3線和4線電阻溫度檢測(cè)器（RTD），以及傳感器與ADC接口所需的電路，并說(shuō)明對(duì)ADC的性能要求。

RTD

RTD適合測(cè)量–200°C至+800°C的溫度，在該溫度范圍內(nèi)，這些器件的響應(yīng)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(jiàn)。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(wú)源傳感器，需要一個(gè)激勵(lì)電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。RTD的輸出電平從數(shù)十毫伏到數(shù)百毫伏不等，取決于所選的RTD。

3線RTD接口和構(gòu)建模塊

圖1顯示了一個(gè)3線RTD系統(tǒng)。AD7124-4/AD7124-8包括該系統(tǒng)所需的全部構(gòu)建模塊。為了全面優(yōu)化該系統(tǒng)，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)生的引線電阻誤差。一個(gè)激勵(lì)電流流過(guò)精密基準(zhǔn)電阻RREF和RTD。另一個(gè)電流流過(guò)引線電阻RL2，所產(chǎn)生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓用作ADC的基準(zhǔn)電壓REFIN1（±）。由于僅利用一個(gè)激勵(lì)電流來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)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(duì)ADC整體傳遞函數(shù)的影響極小。AD7124-4/AD7124-8允許用戶(hù)選擇激勵(lì)電流值，從而調(diào)整系統(tǒng)以使用ADC的大部分輸入范圍，提高性能。

圖1. 3線RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)

圖2. 3線RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)

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(shè)置1到128的增益，允許用戶(hù)在激勵(lì)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?zhǔn)電壓緩沖器支持無(wú)限的濾波器R、C元件值，這些元件不會(huì)影響測(cè)量精度。系統(tǒng)還需要校準(zhǔn)以消除增益和失調(diào)誤差。圖2顯示了此3線B級(jí)RTD在執(zhí)行內(nèi)部零電平和滿(mǎn)量程校準(zhǔn)后的實(shí)測(cè)溫度誤差，總誤差遠(yuǎn)小于±1°C。

將精密基準(zhǔn)電壓放在RTD高端的配置非常適合采用單個(gè)RTD的系統(tǒng)。需要多個(gè)RTD時(shí)，精密基準(zhǔn)電阻應(yīng)放在低端，以便所有RTD傳感器共用該基準(zhǔn)電阻。針對(duì)這種方案，激勵(lì)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(lì)電流源失配引起的誤差：

1. 利用AD7124-4/AD7124-8的交叉多路復(fù)用器功能、精密基準(zhǔn)電阻和ADC的內(nèi)部低漂移基準(zhǔn)電壓源，測(cè)量這兩個(gè)電流。

2. 執(zhí)行系統(tǒng)斬波，這些電流交換到RTD的不同端，將兩個(gè)結(jié)果的平均值用于溫度的整體計(jì)算。

圖3. 4線RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)

4線RTD接口和構(gòu)建模塊

4線RTD測(cè)量只需要一個(gè)激勵(lì)電流源。圖3顯示了一個(gè)4線RTD系統(tǒng)。像3線RTD系統(tǒng)一樣，所用的基準(zhǔn)輸入為REFIN1（±），基準(zhǔn)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(zhǔn)電阻RREF，其用于產(chǎn)生ADC的基準(zhǔn)電壓。這種配置導(dǎo)致基準(zhǔn)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(lì)電流值的波動(dòng)不會(huì)影響系統(tǒng)總體精度。圖4顯示了一個(gè)4線B級(jí)RTD在執(zhí)行內(nèi)部零電平和滿(mǎn)量程校準(zhǔn)后的實(shí)測(cè)RTD溫度誤差。與3線配置類(lèi)似，記錄到的總誤差遠(yuǎn)小于±1°C。

圖4. 4線RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)

ADC要求

溫度測(cè)量系統(tǒng)以低速測(cè)量為主（最高速度通常是每秒100次采樣）。因此，這種系統(tǒng)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(yīng)用，因?yàn)槔忙?Δ結(jié)構(gòu)能夠開(kāi)發(fā)出低帶寬、高分辨率ADC。

采用Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)模擬輸入連續(xù)采樣，采樣頻率比目標(biāo)頻段高很多。它還使用噪聲整形，將噪聲推到目標(biāo)頻段之外，進(jìn)入轉(zhuǎn)換過(guò)程未使用的區(qū)域，從而進(jìn)一步降低目標(biāo)頻段內(nèi)的噪聲。數(shù)字濾波器會(huì)衰減任何處在目標(biāo)頻段之外的信號(hào)。

數(shù)字濾波器在采樣頻率和采樣頻率的倍數(shù)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(yīng)用的要求。Σ-Δ架構(gòu)允許24位ADC實(shí)現(xiàn)最高達(dá)21.7位的峰峰值分辨率（21.7個(gè)穩(wěn)定或無(wú)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(shù)字濾波器還用于提供50 Hz/60 Hz抑制。系統(tǒng)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(shù)（歐洲）和60 Hz及其倍數(shù)（美國(guó)）的噪聲。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器，可將其陷波頻率設(shè)置在50 Hz和/或60 Hz及其倍數(shù)處，從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數(shù)的抑制。現(xiàn)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(tǒng)中，ADC順次處理所有使能的通道，在每個(gè)通道上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果。若縮短建立時(shí)間，則可提高給定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)。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(shù)字濾波器選項(xiàng)，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。

其它ADC要求

功耗

系統(tǒng)的功耗取決于最終應(yīng)用。一些工業(yè)應(yīng)用中，例如工廠中的溫度監(jiān)控，包括傳感器、ADC和微控制器在內(nèi)的整個(gè)溫度系統(tǒng)都位于一塊采用4 mA至20 mA環(huán)路供電的獨(dú)立電路板上。因此，獨(dú)立電路板的電流預(yù)算最大值為4 mA。在便攜式設(shè)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(cè)量必須與氣體分析一同進(jìn)行。這些系統(tǒng)采用電池供電，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是要使電池的使用壽命最長(zhǎng)。這些應(yīng)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(yīng)用中，允許系統(tǒng)消耗更多的電流。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，設(shè)計(jì)要求可能是在一定時(shí)間內(nèi)處理更多的通道，同時(shí)仍要達(dá)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(shù)據(jù)速率的范圍以及片內(nèi)模擬模塊消耗的電流。因此，對(duì)于環(huán)路供電或電池供電系統(tǒng)，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(tǒng)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

診斷在工業(yè)應(yīng)用中日益重要。典型的診斷要求包括：

X 電源/基準(zhǔn)電壓/模擬輸入監(jiān)控

X 開(kāi)路檢測(cè)

X 轉(zhuǎn)換/校準(zhǔn)檢查

X 信號(hào)鏈功能檢查

X 讀/寫(xiě)監(jiān)控

X 寄存器內(nèi)容監(jiān)控

對(duì)于設(shè)計(jì)用于故障安全應(yīng)用的系統(tǒng)，片內(nèi)診斷功能可節(jié)省客戶(hù)的設(shè)計(jì)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(jù)IEC 61508，使用該器件的典型溫度應(yīng)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(tǒng)ADC才能達(dá)到這一水平。

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

結(jié)論

溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)ADC和系統(tǒng)的要求非?？量?。這些傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)很弱，必須用增益級(jí)予以放大，同時(shí)增益級(jí)的噪聲必須非常低，確保其不會(huì)淹沒(méi)傳感器的信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC適合此類(lèi)應(yīng)用，因?yàn)槔眠@種結(jié)構(gòu)能夠開(kāi)發(fā)出高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益級(jí)之外，溫度測(cè)量系統(tǒng)還需要其它元件，如激勵(lì)電流和基準(zhǔn)電壓緩沖器等。最后，最終應(yīng)用決定系統(tǒng)可以消耗的電流預(yù)算。便攜式或環(huán)路供電系統(tǒng)必須使用低功耗器件，加上針對(duì)故障安全系統(tǒng)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(tǒng)需要在更高吞吐速率下達(dá)到某一性能水平，導(dǎo)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(fù)擔(dān)，因?yàn)橐粋€(gè)ADC可以用于多種終端系統(tǒng)，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。