帶三線式補(bǔ)償?shù)?2位、300 kSPS、單電源、完全隔離式RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN0337電路評(píng)估板(EVAL-CN0337-PMDZ)

SDP/PMD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可處理Pt100 RTD輸出，集成創(chuàng)新電路，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)三線式連接實(shí)現(xiàn)引線補(bǔ)償。該電路采用3.3 V單電源供電。室溫校準(zhǔn)后，在±10°C溫度變化范圍內(nèi)的總誤差不超過(guò)±0.24% FSR，是各種工業(yè)溫度測(cè)量應(yīng)用的理想之選。

對(duì)于精度、成本和尺寸極為關(guān)鍵的溫度測(cè)量應(yīng)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(cè)量解決方案。數(shù)據(jù)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(xiàn)三線式RTD引線補(bǔ)償?shù)膭?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(shù)字轉(zhuǎn)換，使用Pt100 RTD傳感器(未顯示去耦和所有連接)

Rev. 0

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電路描述

該電路的輸入級(jí)是一個(gè)RTD信號(hào)調(diào)理電路，采用補(bǔ)償三線式連接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(zhuǎn)換至兼容ADC輸入范圍(0 V至2.5 V)的電壓電平。

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

激勵(lì)電流在RTD兩端產(chǎn)生數(shù)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(yùn)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(duì)輸出范圍進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便U1A運(yùn)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裕量以保持線性度性能?？梢孕薷碾娮柚?，以適應(yīng)本電路筆記后面部分所述的其他常用溫度范圍。

該電路設(shè)計(jì)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(fù)載電流為10 mA，溫度范圍為−40°C至+125°C。在3.3 V電源、負(fù)載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下，保守估計(jì)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(shè)為100 mV，以提供安全裕量。輸出范圍的上限設(shè)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(yùn)算放大器的標(biāo)稱輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。

運(yùn)算放大器U1B用來(lái)緩沖AD7091R (U3) ADC的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓。

本應(yīng)用中選用四通道運(yùn)算放大器AD8608的原因是該器件具有低失調(diào)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(yùn)算放大器提供三線式校正信號(hào)，可補(bǔ)償引線電阻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(xiàng)，數(shù)值等于r1和r2上的壓降。點(diǎn)B處的電壓含有正誤差項(xiàng)，數(shù)值等于r2上的壓降，可忽略r3上的小數(shù)值壓降。由于點(diǎn)B到TP1的增益為負(fù)且數(shù)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(yùn)算放大器的輸出級(jí)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(shè)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(zhuǎn)換速度，請(qǐng)勿填充C10和C11。

選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因?yàn)槠湓?.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 μA，顯著低于當(dāng)前市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的任何ADC。AD7091R還內(nèi)置一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)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(shù)字隔離器ADuM5401(C級(jí))提供。除了隔離輸出數(shù)據(jù)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(yùn)行時(shí)并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔離器集成DC/DC轉(zhuǎn)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(xiàn)1 MSPS的采樣速率。然而，ADuM5401(C級(jí))隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為25 Mbps，對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)驅(qū)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換時(shí)間加上58 ns(數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的額外時(shí)間，t1延遲 + tQUIET延遲)，再加上用于SPI接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)?6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(shè)為7 MHz和300 kSPS。數(shù)字SPI接口可以用12引腳且兼容Pmod的連接器(Digilent Pmod規(guī)格)連接到微處理器評(píng)估板。

圖2. 采用三線式連接的RTD信號(hào)調(diào)理電路

電路設(shè)計(jì)

圖2所示電路可將100 Ω至212.05 Ω的RTD電阻變化轉(zhuǎn)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(dǎo)線電阻r1和r2有關(guān)的誤差。

圖2中電路的傳遞函數(shù)可通過(guò)疊加原理得到：

等式3顯示若滿足等式2，則引腳線路電阻完全得到補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)節(jié)R4/R3的比例，可將增益設(shè)為所需的數(shù)值。

增益、輸出失調(diào)、電阻值和容差的計(jì)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(xiàn)在，必須將電路的輸出失調(diào)設(shè)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)電阻值，則電路能夠提供所需增益和輸出失調(diào)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(duì)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(jì)算：

精度分析

等式1表示所有電阻都會(huì)對(duì)總誤差產(chǎn)生影響。如果仔細(xì)選擇這些值，因使用替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻導(dǎo)致的總誤差可降至幾個(gè)百分點(diǎn)以下。然而，應(yīng)通過(guò)等式1來(lái)重新計(jì)算U1A運(yùn)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(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)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。

這類電路的絕對(duì)精度主要取決于電阻，因此，需要進(jìn)行增益和失調(diào)校準(zhǔn)，以消除因替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻和電阻容差導(dǎo)致的誤差。

電阻溫度系數(shù)對(duì)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的滿量程漂移對(duì)應(yīng)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，則可降低滿量程漂移至大約80 ppm/°C(或者0.008% FSR/°C)。

完成校準(zhǔn)過(guò)程后，電阻容差導(dǎo)致的誤差、AD8608運(yùn)算放大器(75 µV)以及ADC AD7091R產(chǎn)生的失調(diào)均被消除。依然有必要計(jì)算并驗(yàn)證運(yùn)算放大器輸出在所需的范圍內(nèi)。

有源元件溫度系數(shù)對(duì)總誤差的影響

AD8608運(yùn)算放大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失調(diào)由校準(zhǔn)程序消除。

ADC AD7091R內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的失調(diào)漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C。

AD8608運(yùn)算放大器的失調(diào)漂移典型值為1 μV/°C，最大值為4.5 μV/°C。

請(qǐng)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。

引腳線路電阻補(bǔ)償

圖1中的電路可針對(duì)引腳線路電阻(r1、r2和r3)進(jìn)行完全補(bǔ)償。然而，若等式3有任何失配，則引腳線路r1和r2會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生誤差。第三個(gè)引腳線路r3不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，因?yàn)樗cU1D的高阻抗輸入相連。

電路的線性度不受引腳線路r1和r2的影響，哪怕等式3有失配。

RTD線性化

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

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。該系統(tǒng)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(xì)論述，請(qǐng)參見(jiàn)MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見(jiàn)MT-101指南。AD8608的電源應(yīng)當(dāng)用10 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)器件，0.1 μF電容應(yīng)具有低ESR值。對(duì)于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請(qǐng)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(yīng)盡可能靠近芯片焊盤。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(duì)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總長(zhǎng)不得超過(guò)2 mm。如果旁路電容的走線長(zhǎng)度超過(guò)2 mm，可能會(huì)破壞數(shù)據(jù)?？紤]在引腳1與引腳8及引腳9與引腳16之間實(shí)現(xiàn)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(qǐng)參考ADuM5401數(shù)據(jù)手冊(cè)。

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(qǐng)參考：www.analog.com/CN0337-DesignSupport

高電壓能力

這款PCB依據(jù)2500 V基本絕緣規(guī)范而設(shè)計(jì)。不建議進(jìn)行2500 V以上的高電壓測(cè)試。在高電壓下使用該評(píng)估板時(shí)必須謹(jǐn)慎，而且不得依賴該P(yáng)CB來(lái)實(shí)現(xiàn)安全功能，因?yàn)樗唇?jīng)過(guò)高電位測(cè)試(也稱為高壓測(cè)試或耐壓絕緣測(cè)試)，也未通過(guò)安全認(rèn)證。

常見(jiàn)變化

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

可依據(jù)“電路設(shè)計(jì)”部分的建議，針對(duì)0°C至300oC范圍以外的輸入溫度重新設(shè)計(jì)圖1中的電路。表1顯示使用Pt100 RTD傳感器時(shí)，部分標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的計(jì)算結(jié)果。

表1. 常見(jiàn)溫度范圍的電阻值1

AD7091與AD7091R類似，但沒(méi)有基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(diào)電壓和寬信號(hào)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(zhǔn)電壓源相配合，用于代替AD7091R。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路采用EVAL-CN0337-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。轉(zhuǎn)接板SDP- PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對(duì)接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0337-PMDZ板采用12引腳Pmod對(duì)接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置和評(píng)估電路性能。EVAL-CN0337-PMDZ板包含待評(píng)估電路，如本筆記所述。SDP評(píng)估板與CN0337評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0337-PMDZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)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(píng)估板

• EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板

• SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板

• CN0337評(píng)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(zhí)行校準(zhǔn)過(guò)程)

開(kāi)始使用

將CN0337評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。也可以從CN0337評(píng)估軟件中下載最新版的評(píng)估軟件。打開(kāi)“My Computer”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)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(rèn)位置。

功能框圖

圖4顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)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(zhuǎn)接板。

2. 通過(guò)120引腳連接器A將SDP-PMD-IB1Z(轉(zhuǎn)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(píng)估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)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(píng)估板。

測(cè)試

啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果“設(shè)備管理器”中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái))”驅(qū)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(shù)據(jù)?？蓪⑤斎霚囟戎?電阻值)等各種數(shù)據(jù)保存到電腦中。有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0337軟件用戶指南。

圖4. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

圖5. EVAL-CN0337-PMDZ評(píng)估板照片

了解詳情

CN0337設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0337-DesignSupport

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

Baoxing Chen、John Wynne和Ronn Kliger，采用微型片內(nèi)變壓器的高速數(shù)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(xiàn)信號(hào)和功率傳輸，ADI公司，2006年

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

David Krakauer，數(shù)字隔離提供緊湊的低成本解決方案，積極應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，模擬對(duì)話，第40卷，2006年12月

指南MT-031：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)，ADI公司。

指南MT-101：去耦技術(shù)，ADI公司

Scott Wayne，iCoupler®數(shù)字隔離器保護(hù)工業(yè)、儀器儀表和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的RS-232、RS-485和CAN總線，模擬對(duì)話，第39卷第4期，2005年

數(shù)據(jù)手冊(cè)和評(píng)估板

AD8608數(shù)據(jù)手冊(cè)

AD7091R數(shù)據(jù)手冊(cè)

ADuM5401數(shù)據(jù)手冊(cè)

修訂歷史

2014年3月—修訂版0：初始版