激勵電流,、增益和外部元件的選擇

　　理想情況下,，我們傾向于選擇較高的激勵電流以產(chǎn)生較高的輸出電壓,，并使ADC輸入范圍最大化。然而,，由于傳感器為阻性,，設(shè)計人員還必須確保大值激勵電流的功耗或自發(fā)熱效應(yīng)不會影響測量結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計人員可能選擇高激勵電流,。但是,，為使自發(fā)熱最小化，在兩次測量之間需要關(guān)閉激勵電流,。設(shè)計人員需要考慮時序?qū)ο到y(tǒng)的影響,。另一種方法是選擇較低激勵電流，以使自發(fā)熱最小,。時序現(xiàn)已最小化,，但設(shè)計人員需要確定系統(tǒng)性能是否受到影響。所有方案都可以通過RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進(jìn)行測試,。該工具允許用戶平衡激勵電流,、增益和外部元件的選擇，以確保模擬輸入電壓得到優(yōu)化,，同時調(diào)整ADC增益和速度,，以提供更好的分辨率和系統(tǒng)性能，即噪聲和失調(diào)誤差更低,。

　　要了解所得到的濾波曲線,，或者要更深入地了解轉(zhuǎn)換時序,，VirtualEval在線工具可提供相關(guān)細(xì)節(jié)。

　　Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準(zhǔn)輸入均由開關(guān)電容前端連續(xù)采樣,。對于所討論的RTD系統(tǒng),，基準(zhǔn)輸入也受外部基準(zhǔn)電阻驅(qū)動。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用一個外部RC濾波器用于抗混疊,。為了EMC目的,，系統(tǒng)設(shè)計人員可以在模擬輸入端和基準(zhǔn)輸入端使用較大R和C值。大RC值在測量中可能引起增益誤差,，因?yàn)樵趦蓚€采樣時刻之間的時間里,，前端電路沒有充足的時間來建立。緩沖模擬和基準(zhǔn)輸入可防止此類增益誤差,，從而允許使用不受限制的R和C值,。

　　對于AD7124-4/AD7124-8，當(dāng)使用大于1的內(nèi)部增益時,，模擬輸入緩沖器自動使能,，由于PGA放置在輸入緩沖器的前面，并且PGA是軌到軌的,，所以模擬輸入也是軌到軌的,。但是，對于基準(zhǔn)緩沖器,，或者在增益為1時使用ADC且使能模擬輸入緩沖器,，則有必要確保提供正確運(yùn)行所需的裕量。

　　Pt100輸出的信號電平很低,，大約為幾百mV,。為獲得最佳性能，可以使用寬動態(tài)范圍的ADC,。或者使用一個增益級來放大信號,，再將其應(yīng)用于ADC,。AD7124-4/AD7124-8支持1到128的增益，因而可以針對各種激勵電流優(yōu)化設(shè)計,。PGA增益的多個選項允許設(shè)計人員在激勵電流值與增益,、外部元件、性能之間取舍,。RTD配置工具會指示新的激勵電流值是否能與所選RTD傳感器一起使用,。它還會給出精密基準(zhǔn)電阻和基準(zhǔn)裕量電阻的適當(dāng)建議值。請注意,，該工具可確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)使用--它會顯示支持相關(guān)配置的可能增益,。AD7124激勵電流具有輸出順從性,；也就是說，提供激勵電流的引腳上的電壓相對于AVDD需要一些裕量,。該工具也會確保符合該順從規(guī)格,。

　　借助RTD工具，系統(tǒng)設(shè)計人員可以保證系統(tǒng)在ADC和RTD傳感器的工作限值內(nèi)運(yùn)行,?；鶞?zhǔn)電阻等外部元件的精度及其對系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)將在稍后討論。

　　濾波選項（模擬和數(shù)字50 Hz/60 Hz抑制）

　　如前所述,，建議將抗混疊濾波器配合Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器使用,。嵌入式濾波器是數(shù)字式，所以頻率響應(yīng)在采樣頻率附近折回,。為了充分衰減調(diào)制器頻率及其倍數(shù)處的干擾,，必須使用抗混疊濾波。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器會對模擬輸入過采樣,，因此抗混疊濾波器的設(shè)計大大簡化,，只需要一個簡單的單極點(diǎn)RC濾波器。

　　當(dāng)最終系統(tǒng)投入現(xiàn)場使用時,，處理來自系統(tǒng)所處環(huán)境的噪聲或干擾可能非常有挑戰(zhàn)性,，尤其是在工業(yè)自動化、儀器儀表,、過程控制或功率控制等應(yīng)用領(lǐng)域,，這些應(yīng)用要求耐噪，同時不能產(chǎn)生太大噪聲而影響到相鄰元器件,。噪聲,、瞬態(tài)或其他干擾源會影響系統(tǒng)精度和分辨率。當(dāng)系統(tǒng)由交流電源供電時,，也會產(chǎn)生干擾,。交流電源頻率在歐洲是50 Hz及其倍數(shù)，在美國是60 Hz及其倍數(shù),。因此,，當(dāng)設(shè)計RTD系統(tǒng)時，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑制能力的濾波電路,。許多系統(tǒng)設(shè)計人員希望設(shè)計一個能夠同時抑制50 Hz和60 Hz的通用系統(tǒng),。

　　大多數(shù)較低帶寬ADC（包括AD7124-4/AD7124-8）提供多種數(shù)字濾波選項，通過編程可將陷波頻率設(shè)置為50 Hz/60 Hz,。所選濾波器選項會影響輸出數(shù)據(jù)速率,、建立時間以及50 Hz/60 Hz抑制。使能多個通道時，每次切換通道都需要一個建立時間以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果,。因此,，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率。在這種情況下,，可使用后置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同時抑制,，從而提高吞吐速率。

　　功耗考慮

　　系統(tǒng)的電流消耗或功耗預(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)用,。AD7124-4/AD7124-8具有三種功耗模式,，支持在性能、速度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡,。便攜式或遠(yuǎn)程應(yīng)用須使用低功耗器件和配置,。對于某些工業(yè)自動化應(yīng)用，整個系統(tǒng)都由4 mA到20 mA環(huán)路供電,，因此允許的電流預(yù)算最大值僅有4 mA,。對于此類應(yīng)用，可以將器件設(shè)置為中功率或低功耗模式,。速度要低得多,，但ADC仍能提供高性能。如果應(yīng)用是由交流電源供電的過程控制,，則電流消耗可以高得多,，因此器件可以設(shè)置為全功率模式，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高得多的輸出數(shù)據(jù)速率和更高的性能,。

　　誤差源和校準(zhǔn)選項

　　知道所需的系統(tǒng)配置之后,，下一步是估算與ADC相關(guān)的誤差和系統(tǒng)誤差。這些誤差可幫助系統(tǒng)設(shè)計人員了解前端和ADC配置是否滿足整體目標(biāo)精度和性能,。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能,。例如，圖9顯示了所有誤差的摘要,。系統(tǒng)誤差餅圖表明,，外部基準(zhǔn)電阻的初始精度及其溫度系數(shù)是系統(tǒng)總誤差的主要貢獻(xiàn)因素。因此,，必須考慮使用更高精度和更好溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)電阻,。

　　ADC引起的誤差不是系統(tǒng)總誤差的最重要貢獻(xiàn)因素。但是,，使用AD7124-4/AD7124-8的內(nèi)部校準(zhǔn)模式可以進(jìn)一步減小ADC的誤差貢獻(xiàn),。建議在上電或軟件初始化時進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn),，以消除ADC增益和失調(diào)誤差,。請注意，這些校準(zhǔn)不會消除外部電路造成的誤差。但是,，ADC還支持系統(tǒng)校準(zhǔn),，使得系統(tǒng)失調(diào)和增益錯誤可以最小化，但這可能會增加額外的成本,，大多數(shù)應(yīng)用可能不需要,。

　　故障檢測

　　對于惡劣環(huán)境或安全很重要的應(yīng)用，診斷正成為行業(yè)要求的一部分,。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實(shí)現(xiàn)診斷的需求,，使得解決方案尺寸更小、時間更短且成本更低,。診斷包括：

　　檢查模擬引腳上的電壓電平,，確保其在額定工作范圍內(nèi)

　　串行外設(shè)接口（SPI）總線的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）

　　存儲器映射的CRC

　　信號鏈檢查

　　這些診斷使得解決方案更強(qiáng)大。根據(jù)IEC 61508,，典型3線RTD應(yīng)用的失效模式,、影響和診斷分析（FMEDA）表明安全失效比率（SFF）大于90%。

　　RTD系統(tǒng)評估

　　圖10顯示了來自電路筆記CN-0383的一些測量數(shù)據(jù),。該測量數(shù)據(jù)是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得,，其中包括2-/3-/4-線RTD的演示模式，并計算了相應(yīng)的攝氏溫度值,。結(jié)果表明,，2線RTD實(shí)現(xiàn)方案的誤差更接近誤差邊界的下限，而3線或4線RTD實(shí)現(xiàn)方案的總體誤差完全在允許限值以內(nèi),。2線測量中的較高誤差源于前面所述的引線電阻誤差,。

　　圖9.RTD誤差源計算程序

　　圖10.2-/3-/4-線RTD溫度精度測量后置濾波器，低功耗模式,，25 SPS

　　這些例子說明,，當(dāng)與ADI公司的較低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）一起使用時，遵循上述RTD指南將能實(shí)現(xiàn)高精度,、高性能設(shè)計,。電路筆記（CN-0383）也可用作參考設(shè)計，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員快速實(shí)現(xiàn)原型,。評估板允許用戶評估系統(tǒng)性能,，每種示例配置演示模式都可以使用。進(jìn)一步說,，使用ADI生成的示例代碼（可從AD7124-4/AD7124-8產(chǎn)品頁面獲得）,，可以輕松開發(fā)出不同RTD配置的固件,。

　　采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC（例如AD7124-4/AD7124-8）適合于RTD測量應(yīng)用，因?yàn)槠浣鉀Q了諸如50 Hz/60 Hz抑制之類的問題，并且模擬輸入具有寬共模范圍（基準(zhǔn)輸入也可能有）。另外，這些器件具有高集成度，包含RTD系統(tǒng)設(shè)計所需的全部功能。它們還提供增強(qiáng)特性,，如校準(zhǔn)能力和嵌入式診斷。這種集成度加上完整的系統(tǒng)資料或生態(tài)系統(tǒng),，將能簡化整體系統(tǒng)設(shè)計,，降低成本，縮短從概念到原型的設(shè)計周期,。

　　為使系統(tǒng)設(shè)計人員的設(shè)計之旅更輕松,，可以使用RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383來解決不同的挑戰(zhàn),，例如連接問題和整體誤差預(yù)算,，將用戶的設(shè)計體驗(yàn)提升到更高層次。

　　結(jié)論

　　本文已說明,，設(shè)計RTD溫度測量系統(tǒng)是一個具挑戰(zhàn)性的多步驟過程,。它需要選擇不同的傳感器配置、ADC和優(yōu)化,，并考慮這些決策如何影響整體系統(tǒng)性能,。ADI公司的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383,，通過解決連接和整體誤差預(yù)算問題來簡化該過程,。

作者簡介

Jellenie Rodriguez是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的一名應(yīng)用工程師。她主要關(guān)注用于直流測量的精密Σ-Δ型ADC,。她于2012年加入ADI公司,，2011年畢業(yè)于San Sebastian College-Recoletos de Cavite，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位,。

Mary McCarthy是ADI公司應(yīng)用工程師,。她于1991年加入ADI公司，在愛爾蘭科克市的線性與精密技術(shù)應(yīng)用部工作,，主要關(guān)注精密Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器,。她于1991年畢業(yè)于科克大學(xué)，獲得電子與電氣工程學(xué)士學(xué)位,。