带三线式补偿的12位、300 kSPS、单电源、完全隔离式RTD温度测量系统

 评估和设计支持

电路评估板

CN0337电路评估板(EVAL-CN0337-PMDZ)

SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是只采用了三个有源器件的完全隔离式12位、300 kSPS RTD温度测量系统。该系统可处理Pt100 RTD输出，集成创新电路，通过标准三线式连接实现引线补偿。该电路采用3.3 V单电源供电。室温校准后，在±10°C温度变化范围内的总误差不超过±0.24% FSR，是各种工业温度测量应用的理想之选。

对于精度、成本和尺寸极为关键的温度测量应用，该电路的小巧尺寸使得该组合成为业界领先的温度测量解决方案。数据和电源相互隔离，因而该电路具有出色的高电压耐受性，同时还能有效避免恶劣工业环境下常见的接地环路干扰问题。

这款实现三线式RTD引线补偿的创新电路，由保加利亚瓦尔纳技术大学电子工程和微电子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程师和博士生Stanimir Krasimirov Stankov开发。

图1. 带隔离的电阻偏差至数字转换，使用Pt100 RTD传感器(未显示去耦和所有连接)

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电路描述

该电路的输入级是一个RTD信号调理电路，采用补偿三线式连接RTD。该电路将RTD输入电阻范围(100 Ω至212.05 Ω，0°C至300°C温度范围)转换至兼容ADC输入范围(0 V至2.5 V)的电压电平。

RTD激励电流由运算放大器U1C提供，等于四通道AD8608的四分之一。100 mV基准电压VR由2.5 V ADC基准电压驱动的R8/R9分频器产生，进而生成VR/(R1||R2) RTD激励电流，数值约为1.05 mA。

激励电流在RTD两端产生数值约为117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的电压变化，温度变化范围为0°C至300°C。U1A运算放大器将该电压变化放大19.6倍，产生2.3 V输出范围。电阻R2与电阻R1并联，对输出范围进行电平转换，以便U1A运算放大器输出0.1 V至2.4 V，从而匹配ADC的输入范围(0 V至2.5 V)，同时提供100 mV裕量以保持线性度性能。可以修改电阻值，以适应本电路笔记后面部分所述的其他常用温度范围。

该电路设计支持单电源供电。AD8608的最小额定输出电压为50 mV(2.7 V电源)和290 mV(5 V电源)，负载电流为10 mA，温度范围为−40°C至+125°C。在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度范围更窄的情况下，保守估计最小输出电压为45 mV至60 mV。

考虑到器件的容差，最小输出电压(范围下限)设为100 mV，以提供安全裕量。输出范围的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅提供100 mV的裕量。因此，运算放大器的标称输出电压范围为0.1 V至2.4 V。

运算放大器U1B用来缓冲AD7091R (U3) ADC的内部2.5 V基准电压。

本应用中选用四通道运算放大器AD8608的原因是该器件具有低失调电压(最大值75 µV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V电源下，功耗仅为18.5 mW。

U1D运算放大器提供三线式校正信号，可补偿引线电阻r1和r2产生的误差。从点A到TP1的增益为+19.6，从点B到TP1的增益为−39.2。点A处的电压含有正误差项，数值等于r1和r2上的压降。点B处的电压含有正误差项，数值等于r2上的压降，可忽略r3上的小数值压降。由于点B到TP1的增益为负且数值等于点A到TP1增益的两倍，因此r1和r2上的压降产生的误差抵消(假定r1 = r2)。

运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R11/C9)，用于降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz。在有低频工业噪声的情况下，额外的二阶滤波器(增加电容C10和C11)用于降低滤波器截止频率。此时，AD7091R将不会工作在最大吞吐速率下。为了提升转换速度，请勿填充C10和C11。

选择AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因为其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，仅为349 μA，显著低于当前市场上竞争对手的任何ADC。AD7091R还内置一个2.5 V的基准电压源，其典型漂移为±4.5 ppm/oC。输入带宽为7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R采用小型10引脚MSOP封装。

采用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包括ADuM5401隔离器)约为20 mW。

电流隔离由四通道数字隔离器ADuM5401(C级)提供。除了隔离输出数据以外，ADuM5401还为该电路提供隔离+3.3 V电源。除非需要隔离，否则电路正常运行时并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔离器集成DC/DC转换器，采用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。

AD7091R需要50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能实现1 MSPS的采样速率。然而，ADuM5401(C级)隔离器的最大数据速率为25 Mbps，对应的最大串行时钟频率为12.5 MHz。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因此，ADuM5401的总双向传播延迟(最大值120 ns)将时钟上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。

尽管AD7091R是一款12位ADC，但串行数据同样被格式化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因此，采样周期TS包括AD7091R 650 ns的转换时间加上58 ns(数据手册要求的额外时间，t1延迟 + tQUIET延迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

为了提供安全裕量，建议将SCLK和采样速率的最大值分别设为7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口可以用12引脚且兼容Pmod的连接器(Digilent Pmod规格)连接到微处理器评估板。

图2. 采用三线式连接的RTD信号调理电路

电路设计

图2所示电路可将100 Ω至212.05 Ω的RTD电阻变化转换为0.1 V至2.4 V的输出电压变化，兼容ADC输入范围。此外，该电路还可消除与导线电阻r1和r2有关的误差。

图2中电路的传递函数可通过叠加原理得到：

等式3显示若满足等式2，则引脚线路电阻完全得到补偿。通过调节R4/R3的比例，可将增益设为所需的数值。

增益、输出失调、电阻值和容差的计算

若温度范围为

0°C至300oC，则RTD Pt100电阻范围为100 Ω至212.05 Ω，且图2中电路的输入电阻变化ΔR为0 Ω至112.05 Ω。因此，由等式3得到的电路增益为：

现在，必须将电路的输出失调设为0.1 V。使输出发生偏移的一种简单方法是让电阻R1′略为低于R0。注意，这样会成比例影响增益。0.1 V输出失调约为2.3 V总范围的4.35%，因此比例R1′/R0必须低于0.9565。若要保持高输出电平为2.4 V，则比例R4/R3可按比例校正。例如，R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 kΩ。使用图1中的标准电阻值，则电路能够提供所需增益和输出失调的良好近似值。通过将电阻R2 = 1.91 kΩ与电阻R1 = 100 Ω并联连接，可形成R1′。

对于任何其他温度范围，或任何其他温度传感器而言(比如Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000)，电阻值必须如下所示重新计算：

精度分析

等式1表示所有电阻都会对总误差产生影响。如果仔细选择这些值，因使用替代标准值电阻导致的总误差可降至几个百分点以下。然而，应通过等式1来重新计算U1A运算放大器在100 Ω和212.05 Ω输入下的输出，以确保维持所需裕量。在实际电路中，选择最接近现有标准的电阻值。电阻Rl、R2、R8和R9为0.1%、25 ppm/°C。电路中的其他电阻为1%、100 ppm/°C：R3、R4、R5、R6和R12。

这类电路的绝对精度主要取决于电阻，因此，需要进行增益和失调校准，以消除因替代标准值电阻和电阻容差导致的误差。

电阻温度系数对总误差的影响

公式1表明，输出电压与以下九个电阻相关：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。

236 ppm/°C的满量程漂移对应于0.024% FSR/°C。若温度发生±10°C变化，则误差为±0.24% FSR。

若全部九个电阻均采用25 ppm/°C电阻，则可降低满量程漂移至大约80 ppm/°C(或者0.008% FSR/°C)。

完成校准过程后，电阻容差导致的误差、AD8608运算放大器(75 µV)以及ADC AD7091R产生的失调均被消除。依然有必要计算并验证运算放大器输出在所需的范围内。

有源元件温度系数对总误差的影响

AD8608运算放大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失调由校准程序消除。

ADC AD7091R内置基准电压源的失调漂移典型值为4.5 ppm/°C，最大值为25 ppm/°C。

AD8608运算放大器的失调漂移典型值为1 μV/°C，最大值为4.5 μV/°C。

请注意，如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C电阻，则总漂移的最大来源是电阻漂移，有源元件产生的漂移可忽略。

引脚线路电阻补偿

图1中的电路可针对引脚线路电阻(r1、r2和r3)进行完全补偿。然而，若等式3有任何失配，则引脚线路r1和r2会对测量产生误差。第三个引脚线路r3不会对电路产生影响，因为它与U1D的高阻抗输入相连。

电路的线性度不受引脚线路r1和r2的影响，哪怕等式3有失配。

RTD线性化

图1中的电路就RTD的电阻变化而言是线性的。然而，RTD传递函数(电阻与温度的关系)是非线性的。因此，需要进行线性化，以消除RTD的非线性误差。对于涉及到微控制器的系统而言，通常采用软件来完成线性化。AN-709应用笔记讨论了有关Pt100 RTD传感器的部分线性化技术。CN0337评估软件中采用了同样的技术来消除Pt100传感器的非线性误差。

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。该系统的PCB采用简单的双层板堆叠而成，但采用4层板可以得到更好的EMS性能。有关布局和接地的详细论述，请参见MT-031指南;有关去耦技术的信息，请参见MT-101指南。AD8608的电源应当用10 μF和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，0.1 μF电容应具有低ESR值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转换器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请注意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需要低ESR旁路电容，这些电容应尽可能靠近芯片焊盘。为了抑制噪声并降低纹波，至少需要并联两个电容。针对VDD1和VISO，推荐的电容值是0.1 μF和10 μF。较小的电容必须具有低ESR，建议使用陶瓷电容。低ESR电容末端到输入电源引脚的走线总长不得超过2 mm。如果旁路电容的走线长度超过2 mm，可能会破坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间实现旁路，除非两个公共地引脚靠近封装连在一起。更多信息请参考ADuM5401数据手册。

有关完整文档包，包括原理图、电路板布局和物料清单(BOM)，请参考：www.analog.com/CN0337-DesignSupport

高电压能力

这款PCB依据2500 V基本绝缘规范而设计。不建议进行2500 V以上的高电压测试。在高电压下使用该评估板时必须谨慎，而且不得依赖该PCB来实现安全功能，因为它未经过高电位测试(也称为高压测试或耐压绝缘测试)，也未通过安全认证。

常见变化

经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。可在该配置中采用其他精密运算放大器和其他ADC，以将电阻偏差输入范围转换成数字输出，用于本电路的各种其他应用中。

可依据“电路设计”部分的建议，针对0°C至300oC范围以外的输入温度重新设计图1中的电路。表1显示使用Pt100 RTD传感器时，部分标准温度范围的计算结果。

表1. 常见温度范围的电阻值1

AD7091与AD7091R类似，但没有基准电压输出，而且输入范围等于电源电压。AD7091可与2.5 V ADR391基准电压源配合使用。ADR391不需要缓冲。

ADR391是一款精密2.5 V带隙基准电压源，具有低功耗、高精度(温度漂移为9 ppm/°C)等特性，采用微型TSOT封装。

AD8605和AD8606分别是四通道AD8608的单通道和双通道版本，可按不同配置的需要代替AD8608使用。

AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，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吞吐速率的情况下，可以与ADR391基准电压源相配合，用于代替AD7091R。

电路评估与测试

本电路采用EVAL-CN0337-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。转接板SDP- PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引脚对接连接器。转接板和EVAL-CN0337-PMDZ板采用12引脚Pmod对接连接器，可快速进行设置和评估电路性能。EVAL-CN0337-PMDZ板包含待评估电路，如本笔记所述。SDP评估板与CN0337评估软件一起使用，可从EVAL-CN0337-PMDZ电路板获取数据。

设备要求

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

• EVAL-CN0337-PMDZ电路评估板

• EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板

• SDP-PMD-IB1Z转接板

• CN0337评估软件

• 十倍频程精密电阻箱或Pt100传感器(若无电阻箱，可执行校准过程)

开始使用

将CN0337评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。也可以从CN0337评估软件中下载最新版的评估软件。打开“My Computer”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开setup.exe文件。按照屏幕提示完成安装。建议将所有软件安装在默认位置。

功能框图

图4显示测试设置的功能框图。

设置

1. 通过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流电源)连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。

2. 通过120引脚连接器A将SDP-PMD-IB1Z(转接板)连接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)。

3. 通过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)连接到PC。

4. 通过12引脚接头Pmod连接器将EVAL-CN0337-PMDZ评估板连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。

5. 通过端子板J2将十倍频程电阻箱(Pt100传感器)连接到EVAL-CN0337-PMDZ评估板。

测试

启动评估软件。如果“设备管理器”中出现“Analog Devices System Development Platform(ADI系统开发平台)”驱动器，软件便能与SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行数据。可将输入温度值(电阻值)等各种数据保存到电脑中。有关如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN0337软件用户指南。

图4. 测试设置功能框图

图5. EVAL-CN0337-PMDZ评估板照片

了解详情

CN0337设计支持包：http://www.analog.com/CN0337-DesignSupport

AN-709应用笔记：使用ADuC8xx MicroConverter实现RTD接口和线性化，ADI公司。

Baoxing Chen、John Wynne和Ronn Kliger，采用微型片内变压器的高速数字隔离器，ADI公司，2003年

Baoxing Chen，采用isoPower™技术的iCoupler®产品：利用微变压器跨越隔离栅实现信号和功率传输，ADI公司，2006年

Rich Ghiorse，应用笔记AN-825：iCoupler®隔离产品的电源考虑因素，ADI公司。

David Krakauer，数字隔离提供紧凑的低成本解决方案，积极应对设计挑战，模拟对话，第40卷，2006年12月

指南MT-031：实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团，ADI公司。

指南MT-101：去耦技术，ADI公司

Scott Wayne，iCoupler®数字隔离器保护工业、仪器仪表和计算机应用中的RS-232、RS-485和CAN总线，模拟对话，第39卷第4期，2005年

数据手册和评估板

AD8608数据手册

AD7091R数据手册

ADuM5401数据手册

修订历史

2014年3月—修订版0：初始版