RTD比率式溫度測量的模擬前端設計考慮
2016-08-26
作者：Barry Zhang和Alex Buda
簡介
許多系統設計人員使用Σ-Δ型ADC和RTD（電阻式溫度檢測器）進行溫度測量，但實現ADC數據手冊中規定的高性能時有困難。 例如，一些設計人員可能只能從16位至18位ADC獲得12至13個無噪聲位。 本文介紹的前端技術能夠使設計人員在其系統設計中獲得16個以上的無噪聲位。
在比率式測量中使用RTD有一定優勢，因為它能消除激勵電流源的精度和漂移等誤差源。 下面是4線RTD比率式測量的典型電路。 4線式配置的優勢是可消除由引腳電阻產生的誤差。
圖1. 4線RTD比率式測量電路。
我們可以從上述電路推導出下面兩個公式：
當ADC工作在雙極性差分模式時，計算RTD電阻(RRTD)的通用表達式如下所示：
其中：
CodeRTD為ADC碼。
CodeADC_Fullscale為ADC滿量程代碼。
RTD的測量電阻值理論上僅與基準電阻的精度和漂移相關。 通常，RREF為精確的低漂移電阻，精度為0.1%。
當工程師使用此類電路設計產品時，他們會在模擬輸入和外部基準電壓源引腳前添加一些電阻和電容，以獲得低通濾波和如圖2所示的過電壓保護。在本文中，我們將展示選擇合適的電阻和電容以獲得更好的噪聲性能時應該考慮的因素。
圖2. 典型4線RTD比率式測量電路。
從圖2中可以看出，R1、R2、C1、C2和C3用作為差分和共模電壓信號提供衰減的一階低通RC濾波器。 R1和R2的值應相同，C1和C2的值也選擇相同的值。 同樣，R3、R4、C4、C5和C6用作參考路徑的低通濾波器。
共模低通RC濾波器
圖3所示為共模低通濾波器等效電路。
圖3. 共模低通濾波器。
因為a點的共模電壓等于b點的電壓，所以沒有電流流過C3。 因此，共模截止頻率可表示為：
差分模式低通RC濾波器
為了更好地理解差分信號的低通RC濾波器截止頻率，可將圖4中的C3電容視作圖5中的兩個獨立電容：Ca和Cb。
圖4. 差分模式低通濾波器。
圖5. 差分模式低通濾波器等效電路。
圖5中，差分模式截止頻率為：
通常，C3的值是Ccm的值的10倍。 這是為了降低C1和C2不一致產生的影響。 例如，如圖6所示，ADI電路筆記CN-0381中使用模擬前端設計時，差分信號的截止頻率約為800 Hz，共模信號的截止頻率約為16 kHz。
圖6. 使用AD7124進行RTD測量的模擬輸入配置。
電阻和電容考慮
除了作為低通濾波器的一部分外，R1和R2還可提供過電壓保護。 如果圖6中的AD7124-4 AIN引腳前使用的是3 k?電阻，則最高可保護30 V接線錯誤。 不建議在AIN引腳前使用更大的電阻，原因有二。 第一，它們將產生更大的熱噪聲。 第二，AIN引腳具有輸入電流，電流將流經這些電阻并引入誤差。 這些輸入電流的大小不是恒定值，不匹配的輸入電流將產生噪聲，并且噪聲將隨電阻值增大而增大。
電阻和電容值對確定最終電路的性能至關重要。 設計人員需要理解其現場要求，并根據上述公式計算電阻和電容值。 對于具有集成激勵電流源的ADI Σ-Δ型ADC器件和精密模擬微控制器，建議在AIN和基準電壓源引腳前使用相同的電阻和電容值。 這種設計可確保模擬輸入電壓始終與基準電壓成比例，并且激勵電流的溫度漂移和噪聲所引起的模擬輸入電壓的任何誤差，都可通過基準電壓的變化予以補償。
用比率式測量法測得的ADuCM360噪聲性能
ADuCM360是完全集成的3.9 kSPS、24位數據采集系統，在單芯片上集成雙路高性能多通道Σ-Δ型ADC、32位ARM? Cortex?-M3處理器和Flash/EE存儲器。 同時還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程激勵電流源、靈活的多路復用器以及其它許多特性。 它可與電阻式溫度傳感器直接連接。
使用ADuCM360進行RTD測量時，REF–引腳通常接地，因此圖2中的R4和C5無電流通過，可將其移除。 C4和C6并聯一起。 由于C4遠遠小于C6，因此可忽略。 最后便可得到簡單的模擬前端電路，如圖7所示。
圖7. 用于RTD測量的ADuCM360模擬前端電路。
表1列出了模擬和參考輸入路徑前具有匹配和不匹配濾波器時的噪聲水平。 使用100 ?精密電阻代替RRTD，以測量ADC輸入引腳上的噪聲電壓。 RRef的值為5.62 k?。
表1. 噪聲測試結果
從表1我們可以看出，使用R1和R2的值與R3相同的匹配模擬前端電路時，噪聲與不匹配電路相比降低約0.1 μV至0.3 μV，這意味著ADC無噪聲位的數量增加約0.25位至16.2位，ADC PGA增益為16。
結論
按照本文介紹的考慮因素，使用匹配RC濾波器電路和根據現場要求選擇合適的電阻和電容值，比率式測量應用中的RTD能夠獲得最佳的結果。
參考文獻
CN-0381電路筆記。 “采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4線RTD測量系統”。 ADI公司
CN-0267電路筆記。 “具有HART接口的完整4 mA至20 mA環路供電現場儀表”。 ADI公司
Barry Zhang [barry.zhang@analog.com]是ADI中國北京公司的一名應用工程師。 他于2011年加入ADI公司，就職于集成精密解決方案部。 在加入ADI前，他曾在Rigol和Putian擔任硬件工程師。 2006年，Barry獲得了北京科技大學的機械電子工程碩士學位。
Alex Buda是[alex.buda@analog.com]是ADI公司精密解決方案部的一名應用工程師。 他于2012年加入ADI公司，之后便一直在從事精密模擬微控制器方面的工作。 Alex畢業于2012年，擁有愛爾蘭國立梅努斯大學電子工程和計算機一級榮譽學士學位。 作為學位課程的一部分，他在ADI公司集成精密解決方案部實習了六個月。