RTD 温度测量系统的 ADC 要求

温度系统中可以使用多种类型的温度传感器。要使用的温度传感器取决于测量的温度范围和所需的精度。除了传感器之外，温度系统的精度还取决于传感器所连接的模拟数字转换器 (ADC) 的性能。在许多情况下，需要高分辨率 ADC，因为来自传感器的信号幅度非常小。Sigma delta (SD) ADC 适用于这些系统，因为它们是高分辨率设备。它们还具有温度系统所需的片上嵌入附加电路，例如激励电流和参考缓冲器。本文介绍了常用的 3 线和 4 线电阻温度检测器 (RTD)。它描述了将传感器连接到 ADC 所需的电路，并解释了 ADC 所需的性能要求。

热电阻

RTD 可用于测量 -200 o C 至 +800 o C范围内的温度，并且在此温度范围内具有近线性响应。RTD 使用的典型元件是镍、铜和铂，其中 100 Ω 和 1000 Ω 铂 RTD 最为常见。RTD 由 2、3 或 4 根线组成，其中 3 线和 4 线最为常用。这些是无源传感器，需要激励电流来产生输出电压。此类 RTD 的输出电压水平从几十毫伏到几百毫伏不等，具体取决于所选的 RTD。

3 线 RTD 接口和构建模块

显示了 3 线 RTD 系统。AD7124-4/AD7124-8 包含系统所需的所有构建模块。为了全面优化此系统，需要两个完全匹配的电流源。这两个电流源用于抵消 RTD 的 RL1 和 RL2 产生的引线电阻误差。一个激励电流流过精密参考电阻 R REF和 RTD，第二个电流流过引线电阻 RL2 并产生一个电压，该电压抵消了 RL1 上的压降。精密参考电阻上产生的电压用作 ADC 的参考电压 REFIN1(±)。

由于使用一个激励电流来生成基准电压和 RTD 两端的电压，因此电流源精度、失配和失配漂移对整个 ADC 传递函数的影响很小。AD7124-4/AD7124-8 提供激励电流值选择，允许用户调整系统，以便使用大部分 ADC 输入范围，从而提高性能。

RTD 的低电平输出电压需要放大，以便使用 ADC 的大部分输入范围。AD7124-4/AD7124-8 的 PGA 可编程增益范围为 1 至 128，允许客户在激励电流值与增益和性能之间进行权衡。出于抗混叠和 EMC 目的，传感器和 ADC 之间需要滤波。参考缓冲器允许滤波器的 R 和 C 元件具有无限值，即这些元件不会影响测量的准确性。

系统还需要校准以消除增益和偏移误差。图 1 显示了经过内部零刻度和满刻度校准后，此 3 线 B 类 RTD 测得的温度误差，总体误差远小于 ±1ºC。

对于使用单个 RTD 的系统，将精密参考电阻置于 RTD 的高端效果很好。当需要多个 RTD 时，精密电阻应置于低端，因此参考电阻由所有 RTD 传感器共享。对于此实现，需要更好的激励电流匹配和匹配漂移。为了最大限度地减少由于激励电流源不匹配而导致的误差，可以使用两种不同的技术：

1) 使用 AD7124-4/AD7124-8 的交叉多路复用器功能、精密参考电阻和 ADC 的内部低漂移参考电压测量两个单独的电流

2) 执行系统斩波，将电流交换至 RTD 的不同侧，并使用两个结果的平均值来总体计算温度。

4 线 RTD 接口和构建模块

4 线 RTD 测量仅需要一个激励电流源。图 2 显示了 4 线 RTD 系统。与 3 线 RTD 系统一样，使用的参考输入是 REFIN1(±)，并且启用了参考缓冲器以允许无限的抗混叠或 EMC 滤波。流过 RTD 的电流也流过精密参考电阻 R REF，该电阻用于为 ADC 生成参考电压，这种配置导致参考电压与 RTD 上产生的电压之间的比率测量。

比率配置可确保激励电流值的变化不会影响整个系统的精度。显示了在内部零电平和满量程校准后测量的 4 线 B 类 RTD 的 RTD 温度误差。与 3 线配置类似，记录的总误差远小于 ±1ºC。

ADC 要求

对于温度系统，测量主要是低速的(通常每秒最多 100 个样本)。因此，需要低带宽 ADC。但是，ADC 必须具有高分辨率。Sigma-delta (SD) ADC 适合这些应用，因为可以使用 SD 架构开发低带宽、高分辨率 ADC。

使用 Sigma Delta 转换器，模拟输入被连续采样，采样频率远高于目标频带。它们还使用噪声整形，将噪声从目标频带推入转换过程未使用的区域，从而进一步降低目标频带中的噪声。数字滤波器会衰减目标频带之外的任何信号。

数字滤波器确实有采样频率和采样频率倍数的图像。因此，需要一些外部抗混叠滤波器。但是，由于过采样，简单的一阶 RC 滤波器足以满足大多数应用的需求。SD 架构允许开发 24 位 ADC，其 pp 分辨率高达 21.7 位(21.7 个稳定或无闪烁位)。

滤波(50 Hz / 60 Hz 抑制)

除了前面讨论过的抑制噪声之外，数字滤波器还可提供 50/60 Hz 抑制。当系统由主电源供电时，干扰发生在 50 Hz 或 60 Hz 处。在欧洲，主电源产生的频率为 50Hz 及其倍数，在美国则为 60 Hz 及其倍数。低带宽 ADC 主要使用 sinc 滤波器，该滤波器可编程为在 50 Hz 和/或 60 Hz 以及 50 Hz 和 60 Hz 的倍数处设置陷波，从而提供 50/60 Hz 及其倍数的抑制。越来越需要使用具有较短建立时间的滤波方法来提供 50/60 Hz 抑制。在多通道系统中，ADC 通过所有启用的通道进行序列处理，并在每个通道上产生转换。

选择一个通道后，需要滤波器建立时间来生成有效转换。如果建立时间减少，则在给定时间内转换的通道数会增加。AD7124-4/AD7124-8 包括后置滤波器或 FIR 滤波器，与 sinc 3 或 sinc 4 滤波器相比，它们可以在更短的建立时间内同时提供 50/60 Hz 抑制。显示了一个数字滤波器选项：此后置滤波器的建立时间为 41.53 ms，并提供 62 dB 的同时 50/60 Hz 抑制。

其他 ADC 要求

电源

系统中消耗的电流取决于最终应用。在某些工业应用中，例如工厂的温度监测，包含传感器、ADC 和微控制器的完整温度系统包含在独立电路板上，由 4 – 20 mA 环路供电。因此，独立电路板的最大电流预算为 4 mA。在用于分析矿井中存在的气体的便携式设备(例如气体分析仪)中，必须与气体分析一起测量温度。这些系统由电池供电，目的是最大限度地延长电池的使用寿命。

在这些应用中，低功耗必不可少，但高性能仍必不可少。在过程控制应用中，系统可以允许更多的电流。对于这种类型的应用，要求可能是在一定时间内按顺序处理更多通道数，同时仍达到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8 包含 3 种功耗模式，用户可通过其中一个寄存器中的 2 位进行选择。所选的功耗模式决定了输出数据速率的范围以及片上模拟模块消耗的电流。因此，对于环路供电或电池供电系统，该部件可以在中功率或低功耗模式下运行。在过程控制系统中，该部件可以在全功率模式下运行，此时更高的电流消耗可提高性能。

诊断

诊断在工业应用中变得越来越重要。典型的诊断要求包括：

电源/参考电压/模拟输入监控

开路检测

转换/校准检查

信号链功能检查

读/写监控

寄存器内容监控

对于为故障安全应用而设计的系统，片上诊断功能可帮助客户节省设计时间、外部元件、电路板空间和成本。AD7124-4/AD7124-8 等器件包含上述诊断功能。根据 IEC 61508，使用该器件的典型温度应用的故障模式影响和诊断分析 (FMEDA) 显示安全故障率 (SFF) 大于 90%。通常需要两个传统 ADC 才能提供这种级别的覆盖率。

结论

温度测量系统对 ADC 和系统的要求非常严格。这些传感器产生的模拟信号很小，必须通过噪声较低的增益级进行放大，以确保增益级的噪声不会淹没来自传感器的信号。放大器之后需要一个高分辨率 ADC，以便将来自传感器的低电平信号转换为数字信息。使用 SD 架构的 ADC 适用于此类应用，因为可以使用这些架构开发高分辨率、高精度 ADC。除了 ADC 和增益级外，温度系统还需要其他组件，例如激励电流和参考缓冲器。

最后，终端应用决定了系统允许的电流预算。便携式或环路供电系统必须使用低功耗组件，并且由于包含冗余以实现故障安全系统，因此每个组件的电流消耗限额进一步降低。对于输入模块等系统，希望在更高的吞吐量下实现一定的性能水平，从而增加通道密度。使用具有多种功率模式的设备可以减轻用户的负担，因为一个 ADC 可以设计到多个终端系统中，从而缩短设计时间。