帶三線(xiàn)式補償的12位、300 kSPS、單電源、完全隔離式RTD溫度測量系統

評估和設計支持

電路評估板

CN0337電路評估板(EVAL-CN0337-PMDZ)

SDP/PMD轉接板(SDP-PMD-IB1Z)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是只采用了三個(gè)有源器件的完全隔離式12位、300 kSPS RTD溫度測量系統。該系統可處理Pt100 RTD輸出，集成創(chuàng )新電路，通過(guò)標準三線(xiàn)式連接實(shí)現引線(xiàn)補償。該電路采用3.3 V單電源供電。室溫校準后，在±10°C溫度變化范圍內的總誤差不超過(guò)±0.24% FSR，是各種工業(yè)溫度測量應用的理想之選。

對于精度、成本和尺寸極為關(guān)鍵的溫度測量應用，該電路的小巧尺寸使得該組合成為業(yè)界領(lǐng)先的溫度測量解決方案。數據和電源相互隔離，因而該電路具有出色的高電壓耐受性，同時(shí)還能有效避免惡劣工業(yè)環(huán)境下常見(jiàn)的接地環(huán)路干擾問(wèn)題。

這款實(shí)現三線(xiàn)式RTD引線(xiàn)補償的創(chuàng )新電路，由保加利亞瓦爾納技術(shù)大學(xué)電子工程和微電子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程師和博士生Stanimir Krasimirov Stankov開(kāi)發(fā)。

圖1. 帶隔離的電阻偏差至數字轉換，使用Pt100 RTD傳感器(未顯示去耦和所有連接)

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電路描述

該電路的輸入級是一個(gè)RTD信號調理電路，采用補償三線(xiàn)式連接RTD。該電路將RTD輸入電阻范圍(100 至212.05 ，0°C至300°C溫度范圍)轉換至兼容ADC輸入范圍(0 V至2.5 V)的電壓電平。

RTD激勵電流由運算放大器U1C提供，等于四通道AD8608的四分之一。100 mV基準電壓VR由2.5 V ADC基準電壓驅動(dòng)的R8/R9分頻器產(chǎn)生，進(jìn)而生成VR/(R1||R2) RTD激勵電流，數值約為1.05 mA。

激勵電流在RTD兩端產(chǎn)生數值約為117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的電壓變化，溫度變化范圍為0°C至300°C。U1A運算放大器將該電壓變化放大19.6倍，產(chǎn)生2.3 V輸出范圍。電阻R2與電阻R1并聯(lián)，對輸出范圍進(jìn)行電平轉換，以便U1A運算放大器輸出0.1 V至2.4 V，從而匹配ADC的輸入范圍(0 V至2.5 V)，同時(shí)提供100 mV裕量以保持線(xiàn)性度性能?？梢孕薷碾娮柚?，以適應本電路筆記后面部分所述的其他常用溫度范圍。

該電路設計支持單電源供電。AD8608的最小額定輸出電壓為50 mV(2.7 V電源)和290 mV(5 V電源)，負載電流為10 mA，溫度范圍為−40°C至+125°C。在3.3 V電源、負載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下，保守估計最小輸出電壓為45 mV至60 mV。

考慮到器件的容差，最小輸出電壓(范圍下限)設為100 mV，以提供安全裕量。輸出范圍的上限設為2.4 V，以便為ADC輸入端的正擺幅提供100 mV的裕量。因此，運算放大器的標稱(chēng)輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。

運算放大器U1B用來(lái)緩沖AD7091R (U3) ADC的內部2.5 V基準電壓。

本應用中選用四通道運算放大器AD8608的原因是該器件具有低失調電壓(最大值75 µV)、低偏置電流(最大值1 pA)和低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V電源下，功耗僅為18.5 mW。

U1D運算放大器提供三線(xiàn)式校正信號，可補償引線(xiàn)電阻r1和r2產(chǎn)生的誤差。從點(diǎn)A到TP1的增益為+19.6，從點(diǎn)B到TP1的增益為−39.2。點(diǎn)A處的電壓含有正誤差項，數值等于r1和r2上的壓降。點(diǎn)B處的電壓含有正誤差項，數值等于r2上的壓降，可忽略r3上的小數值壓降。由于點(diǎn)B到TP1的增益為負且數值等于點(diǎn)A到TP1增益的兩倍，因此r1和r2上的壓降產(chǎn)生的誤差抵消(假定r1 = r2)。

運算放大器的輸出級后接一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器(R11/C9)，用于降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設為664 kHz。在有低頻工業(yè)噪聲的情況下，額外的二階濾波器(增加電容C10和C11)用于降低濾波器截止頻率。此時(shí)，AD7091R將不會(huì )工作在最大吞吐速率下。為了提升轉換速度，請勿填充C10和C11。

選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因為其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 μA，顯著(zhù)低于當前市場(chǎng)上競爭對手的任何ADC。AD7091R還內置一個(gè)2.5 V的基準電壓源，其典型漂移為±4.5 ppm/oC。輸入帶寬為7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R采用小型10引腳MSOP封裝。

采用3.3V電源供電時(shí)，該電路的總功耗(不包括ADuM5401隔離器)約為20 mW。

電流隔離由四通道數字隔離器ADuM5401(C級)提供。除了隔離輸出數據以外，ADuM5401還為該電路提供隔離+3.3 V電源。除非需要隔離，否則電路正常運行時(shí)并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔離器集成DC/DC轉換器，采用小型16引腳SOIC封裝。ADuM5401在7 MHz時(shí)鐘頻率下的功耗約為140 mW。

AD7091R需要50 MHz的串行時(shí)鐘(SCLK)，方能實(shí)現1 MSPS的采樣速率。然而，ADuM5401(C級)隔離器的最大數據速率為25 Mbps，對應的最大串行時(shí)鐘頻率為12.5 MHz。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿將輸出數據驅動(dòng)至處理器，因此，ADuM5401的總雙向傳播延遲(最大值120 ns)將時(shí)鐘上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。

盡管AD7091R是一款12位ADC，但串行數據同樣被格式化為16位字，以便與處理器串行端口要求相兼容。因此，采樣周期TS包括AD7091R 650 ns的轉換時(shí)間加上58 ns(數據手冊要求的額外時(shí)間，t1延遲 + tQUIET延遲)，再加上用于SPI接口數據傳輸的16個(gè)時(shí)鐘周期。

為了提供安全裕量，建議將SCLK和采樣速率的最大值分別設為7 MHz和300 kSPS。數字SPI接口可以用12引腳且兼容Pmod的連接器(Digilent Pmod規格)連接到微處理器評估板。

圖2. 采用三線(xiàn)式連接的RTD信號調理電路

電路設計

圖2所示電路可將100 Ω至212.05 Ω的RTD電阻變化轉換為0.1 V至2.4 V的輸出電壓變化，兼容ADC輸入范圍。此外，該電路還可消除與導線(xiàn)電阻r1和r2有關(guān)的誤差。

圖2中電路的傳遞函數可通過(guò)疊加原理得到：

等式3顯示若滿(mǎn)足等式2，則引腳線(xiàn)路電阻完全得到補償。通過(guò)調節R4/R3的比例，可將增益設為所需的數值。

增益、輸出失調、電阻值和容差的計算

若溫度范圍為

0°C至300oC，則RTD Pt100電阻范圍為100 Ω至212.05 Ω，且圖2中電路的輸入電阻變化ΔR為0 Ω至112.05 Ω。因此，由等式3得到的電路增益為：

現在，必須將電路的輸出失調設為0.1 V。使輸出發(fā)生偏移的一種簡(jiǎn)單方法是讓電阻R1′略為低于R0。注意，這樣會(huì )成比例影響增益。0.1 V輸出失調約為2.3 V總范圍的4.35%，因此比例R1′/R0必須低于0.9565。若要保持高輸出電平為2.4 V，則比例R4/R3可按比例校正。例如，R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 kΩ。使用圖1中的標準電阻值，則電路能夠提供所需增益和輸出失調的良好近似值。通過(guò)將電阻R2 = 1.91 kΩ與電阻R1 = 100 Ω并聯(lián)連接，可形成R1′。

對于任何其他溫度范圍，或任何其他溫度傳感器而言(比如Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000)，電阻值必須如下所示重新計算：

精度分析

等式1表示所有電阻都會(huì )對總誤差產(chǎn)生影響。如果仔細選擇這些值，因使用替代標準值電阻導致的總誤差可降至幾個(gè)百分點(diǎn)以下。然而，應通過(guò)等式1來(lái)重新計算U1A運算放大器在100 Ω和212.05 Ω輸入下的輸出，以確保維持所需裕量。在實(shí)際電路中，選擇最接近現有標準的電阻值。電阻Rl、R2、R8和R9為0.1%、25 ppm/°C。電路中的其他電阻為1%、100 ppm/°C：R3、R4、R5、R6和R12。

這類(lèi)電路的絕對精度主要取決于電阻，因此，需要進(jìn)行增益和失調校準，以消除因替代標準值電阻和電阻容差導致的誤差。

電阻溫度系數對總誤差的影響

公式1表明，輸出電壓與以下九個(gè)電阻相關(guān)：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。

236 ppm/°C的滿(mǎn)量程漂移對應于0.024% FSR/°C。若溫度發(fā)生±10°C變化，則誤差為±0.24% FSR。

若全部九個(gè)電阻均采用25 ppm/°C電阻，則可降低滿(mǎn)量程漂移至大約80 ppm/°C(或者0.008% FSR/°C)。

完成校準過(guò)程后，電阻容差導致的誤差、AD8608運算放大器(75 µV)以及ADC AD7091R產(chǎn)生的失調均被消除。依然有必要計算并驗證運算放大器輸出在所需的范圍內。

有源元件溫度系數對總誤差的影響

AD8608運算放大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失調由校準程序消除。

ADC AD7091R內置基準電壓源的失調漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C。

AD8608運算放大器的失調漂移典型值為1 μV/°C，最大值為4.5 μV/°C。

請注意，如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C電阻，則總漂移的最大來(lái)源是電阻漂移，有源元件產(chǎn)生的漂移可忽略。

引腳線(xiàn)路電阻補償

圖1中的電路可針對引腳線(xiàn)路電阻(r1、r2和r3)進(jìn)行完全補償。然而，若等式3有任何失配，則引腳線(xiàn)路r1和r2會(huì )對測量產(chǎn)生誤差。第三個(gè)引腳線(xiàn)路r3不會(huì )對電路產(chǎn)生影響，因為它與U1D的高阻抗輸入相連。

電路的線(xiàn)性度不受引腳線(xiàn)路r1和r2的影響，哪怕等式3有失配。

RTD線(xiàn)性化

圖1中的電路就RTD的電阻變化而言是線(xiàn)性的。然而，RTD傳遞函數(電阻與溫度的關(guān)系)是非線(xiàn)性的。因此，需要進(jìn)行線(xiàn)性化，以消除RTD的非線(xiàn)性誤差。對于涉及到微控制器的系統而言，通常采用軟件來(lái)完成線(xiàn)性化。AN-709應用筆記討論了有關(guān)Pt100 RTD傳感器的部分線(xiàn)性化技術(shù)。CN0337評估軟件中采用了同樣的技術(shù)來(lái)消除Pt100傳感器的非線(xiàn)性誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。該系統的PCB采用簡(jiǎn)單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的EMS性能。有關(guān)布局和接地的詳細論述，請參見(jiàn)MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見(jiàn)MT-101指南。AD8608的電源應當用10 μF和0.1 μF電容去耦，以適當抑制噪聲并減小紋波。這些電容應盡可能靠近相應器件，0.1 μF電容應具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線(xiàn)必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線(xiàn)路上的毛刺效應。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC轉換器要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請注意，引腳1與引腳2以及引腳15和引腳16之間需要低ESR旁路電容，這些電容應盡可能靠近芯片焊盤(pán)。為了抑制噪聲并降低紋波，至少需要并聯(lián)兩個(gè)電容。針對VDD1和VISO，推薦的電容值是0.1 μF和10 μF。較小的電容必須具有低ESR，建議使用陶瓷電容。低ESR電容末端到輸入電源引腳的走線(xiàn)總長(cháng)不得超過(guò)2 mm。如果旁路電容的走線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)2 mm，可能會(huì )破壞數據?？紤]在引腳1與引腳8及引腳9與引腳16之間實(shí)現旁路，除非兩個(gè)公共地引腳靠近封裝連在一起。更多信息請參考ADuM5401數據手冊。

有關(guān)完整文檔包，包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM)，請參考：www.analog.com/CN0337-DesignSupport

高電壓能力

這款PCB依據2500 V基本絕緣規范而設計。不建議進(jìn)行2500 V以上的高電壓測試。在高電壓下使用該評估板時(shí)必須謹慎，而且不得依賴(lài)該PCB來(lái)實(shí)現安全功能，因為它未經(jīng)過(guò)高電位測試(也稱(chēng)為高壓測試或耐壓絕緣測試)，也未通過(guò)安全認證。

常見(jiàn)變化

經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度?？稍谠撆渲弥胁捎闷渌苓\算放大器和其他ADC，以將電阻偏差輸入范圍轉換成數字輸出，用于本電路的各種其他應用中。

可依據“電路設計”部分的建議，針對0°C至300oC范圍以外的輸入溫度重新設計圖1中的電路。表1顯示使用Pt100 RTD傳感器時(shí)，部分標準溫度范圍的計算結果。

表1. 常見(jiàn)溫度范圍的電阻值1

AD7091與AD7091R類(lèi)似，但沒(méi)有基準電壓輸出，而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR391基準電壓源配合使用。ADR391不需要緩沖。

ADR391是一款精密2.5 V帶隙基準電壓源，具有低功耗、高精度(溫度漂移為9 ppm/°C)等特性，采用微型TSOT封裝。

AD8605和AD8606分別是四通道AD8608的單通道和雙通道版本，可按不同配置的需要代替AD8608使用。

AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要300 kSPS吞吐速率的情況下，可以與ADR391基準電壓源相配合，用于代替AD7091R。

電路評估與測試

本電路采用EVAL-CN0337-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。轉接板SDP- PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。轉接板和EVAL-CN0337-PMDZ板采用12引腳Pmod對接連接器，可快速進(jìn)行設置和評估電路性能。EVAL-CN0337-PMDZ板包含待評估電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0337評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0337-PMDZ電路板獲取數據。

設備要求

• 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7/8(64位或32位)PC

• EVAL-CN0337-PMDZ電路評估板

• EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

• SDP-PMD-IB1Z轉接板

• CN0337評估軟件

• 十倍頻程精密電阻箱或Pt100傳感器(若無(wú)電阻箱，可執行校準過(guò)程)

開(kāi)始使用

將CN0337評估軟件光盤(pán)放進(jìn)PC的光盤(pán)驅動(dòng)器，加載評估軟件。也可以從CN0337評估軟件中下載最新版的評估軟件。打開(kāi)“My Computer”，找到包含評估軟件光盤(pán)的驅動(dòng)器，打開(kāi)setup.exe文件。按照屏幕提示完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認位置。

功能框圖

圖4顯示測試設置的功能框圖。

設置

1. 通過(guò)直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板。

2. 通過(guò)120引腳連接器A將SDP-PMD-IB1Z(轉接板)連接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)。

3. 通過(guò)USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC。

4. 通過(guò)12引腳接頭Pmod連接器將EVAL-CN0337-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板。

5. 通過(guò)端子板J2將十倍頻程電阻箱(Pt100傳感器)連接到EVAL-CN0337-PMDZ評估板。

測試

啟動(dòng)評估軟件。如果“設備管理器”中出現“Analog Devices System Development Platform(ADI系統開(kāi)發(fā)平臺)”驅動(dòng)器，軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行數據?？蓪⑤斎霚囟戎?電阻值)等各種數據保存到電腦中。有關(guān)如何使用評估軟件來(lái)捕捉數據的詳細信息，請參閱CN0337軟件用戶(hù)指南。

圖4. 測試設置功能框圖

圖5. EVAL-CN0337-PMDZ評估板照片

了解詳情

CN0337設計支持包：http://www.analog.com/CN0337-DesignSupport

AN-709應用筆記：使用ADuC8xx MicroConverter實(shí)現RTD接口和線(xiàn)性化，ADI公司。

Baoxing Chen、John Wynne和Ronn Kliger，采用微型片內變壓器的高速數字隔離器，ADI公司，2003年

Baoxing Chen，采用isoPower™技術(shù)的iCoupler®產(chǎn)品：利用微變壓器跨越隔離柵實(shí)現信號和功率傳輸，ADI公司，2006年

Rich Ghiorse，應用筆記AN-825：iCoupler®隔離產(chǎn)品的電源考慮因素，ADI公司。

David Krakauer，數字隔離提供緊湊的低成本解決方案，積極應對設計挑戰，模擬對話(huà)，第40卷，2006年12月

指南MT-031：實(shí)現數據轉換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團，ADI公司。

指南MT-101：去耦技術(shù)，ADI公司

Scott Wayne，iCoupler®數字隔離器保護工業(yè)、儀器儀表和計算機應用中的RS-232、RS-485和CAN總線(xiàn)，模擬對話(huà)，第39卷第4期，2005年

數據手冊和評估板

AD8608數據手冊

AD7091R數據手冊

ADuM5401數據手冊

修訂歷史

2014年3月—修訂版0：初始版