具有0.5°C精度的隔離式4通道熱電偶/RTD溫度測量系統(tǒng)

優(yōu)勢和特性

· 4通道熱電偶/RTD測量

· 完全隔離

· 輸入保護

連接/參考器件

AD7193：4通道、4.8 kHz、超低噪聲、24位

ADT7310：±0.5°C精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器

AD8603：精密微功耗、低噪聲、CMOS、軌到軌輸入/輸出

ADR3440：4.096V、微功耗、高精度基準電壓源

ADG738：CMOS、低壓、三線式串行控制、矩陣開關

ADG702：CMOS、低壓、2 Ω單刀單擲(SPST)開關

AD5201：33位數(shù)字電位計

ADuM1280：3 kV RMS雙通道數(shù)字隔離器

ADuM5401：四通道、2.5 kV隔離器，集成DC-DC轉換器

評估和設計支持

電路評估板

CN-0287電路評估板(EVAL-CN0287-SDPZ)

系統(tǒng)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所示電路是一款完整的隔離式4通道溫度測量電路，針對性能、輸入靈活性、穩(wěn)定性以及低成本而優(yōu)化。它支持所有類型的熱電偶(帶冷結補償)，以及電阻高達4 kΩ的任意類型RTD(電阻溫度檢測器，雙線式、三線式或四線式連接配置)。

RTD激勵電流可針對最佳噪聲和線性度性能編程。

RTD測量精度達到0.1°C(典型值)，K類熱電偶測量精度達0.05°C(典型值)，這是因為將16位數(shù)字溫度傳感器ADT7310用于冷結補償。該電路采用4通道、24位、Σ-Δ型ADC AD7193，該器件片內(nèi)集成PGA，具有高精度和低噪聲特性。

由低泄露瞬變電壓抑制器(TVS)和肖特基二極管提供輸入瞬變和過壓保護。SPI兼容型數(shù)字輸入和輸出均隔離(2500 V rms)，且電路采用全隔離式電源供電。

電路描述

溫度測量簡介

熱電偶和RTD(電阻溫度檢測器)是最常用的傳感器，用于工業(yè)應用中的溫度測量。熱電偶可測量極高的溫度，最高可達+2300°C左右，并且響應時間快(瞬間完成測量)。RTD比熱電偶具有更高的精度和穩(wěn)定性，且連接遠端RTD的長導線(數(shù)百米)電阻可采用三線式或四線式連接加以補償。

熱電偶由一端相連的兩根不同金屬線組成。將相連的一端放置在需要進行溫度測量的地方，稱為測量結點。另一端連接精密電壓測量單元，該連接稱為參考結點，或者稱為冷結。測量結點和冷結之間的溫差產(chǎn)生電壓(稱為塞貝克效應電壓)，數(shù)值與兩個結點之間的溫度差有關，該溫差產(chǎn)生的信號通常為數(shù)微伏至數(shù)十毫伏不等，具體取決于溫度差值。

例如，K類熱電偶可測量−200°C至+1350°C，輸出范圍約−10 mV至+60 mV。對于信號鏈而言，重要的是盡可能保持較高的阻抗和較低的漏電流，以便測得的電壓具有最高的精度。若要將該電壓轉換為絕對溫度，則必須精確知道冷結溫度。一般而言，1°C至2°C便已足夠，雖然由于冷結溫度測量誤差會直接增加絕對溫度誤差，但較高的冷結溫度測量精度是有好處的。

RTD由純凈材料(如鉑、鎳或銅)制成，隨溫度變化而改變的電阻值可預測。最常見的RTD材料是鉑(Pt100和Pt1000)。

精確測定電阻的一種方法是測量恒定電流源產(chǎn)生的RTD電壓。將測量值折合為參考電阻兩端的電壓(由同一個電流驅(qū)動)，即可消除電流源中的誤差(如比例測量)。最大程度降低電流路徑上的漏電流對于獲得高精度而言很重要，因為為了防止自發(fā)熱，激勵電流通常僅數(shù)百微安。

對于工業(yè)現(xiàn)場應用而言，高性能以及針對高壓瞬變事件和直流過壓條件提供保護都是重要的設計考慮因素。

本電路工作原理

圖1所示電路設計用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的精密溫度測量應用，針對靈活性、性能、穩(wěn)定性和成本進行了優(yōu)化。本電路采用低噪聲、24位Σ-Δ型ADC AD7193，確保整個電路具有高分辨率和線性度。

33位數(shù)字電位計AD5201、運算放大器AD8603和單通道開關ADG702構成簡單可編程電流源和偏置電壓緩沖器，用于RTD和熱電偶測量。ADG738可將電流源路由至活動RTD通道，允許針對三線式RTD配置進行導線電阻補償。

數(shù)字SPI溫度傳感器ADT7310在−40°C至+105°C溫度范圍內(nèi)具有±0.8°C最大精度(采用+5 V電源)，用于熱電偶測量中的冷結補償。ADR3440是一款低噪聲、高精度、4.096 V基準電壓源，連接AD7193的REFIN1(+)/REFIN1(−)，用于熱電偶測量。

模數(shù)轉換器

AD7193是一款適合高精密測量應用的低噪聲完整模擬前端。它集成一個低噪聲、24位Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)。該ADC具有高分辨率、低非線性度和低噪聲性能，以及極高的50 Hz/60 Hz抑制能力。數(shù)據(jù)輸出速率可在4.7 Hz(24位有效分辨率，Gain = 1)到4.8 kHz(18.6位有效分辨率，Gain = 1)范圍內(nèi)變化。片上低噪聲PGA可將來自熱電偶或RTD的差分小信號以增益1至128放大，從而允許實現(xiàn)直接接口。增益級緩沖器具有高輸入阻抗，并將輸入漏電流限制為± 3 nA(最大值)。AD7193的增益必須根據(jù)溫度范圍和傳感器類型進行適當配置。片內(nèi)多路復用器允許四個差分輸入通道共享同一個ADC內(nèi)核，節(jié)省空間與成本。

用于RTD的可編程電流源以及用于熱電偶的偏置電壓生成電路

RTD測量要求使用低噪聲電流源，以便驅(qū)動RTD和參考電阻。而另一方面，熱電偶需要使用共模偏置電壓，可將較小的熱電偶電壓轉換至AD7193的輸入范圍內(nèi)。圖2所示電路同時滿足這兩個要求，并采用了低噪聲CMOS軌到軌輸入/輸出運算放大器AD8603，該器件的最大輸入偏置電流僅1 pA且最大失調(diào)電壓為50 μV;同時，還配合使用了單通道CMOS低壓2 Ω單刀單擲(SPST)開關ADG702，以及8通道矩陣開關ADG738。

開啟ADG738并關斷ADG702，則AD8603可用作熱電偶應用中的低噪聲、低輸出阻抗單位增益緩沖器。將來自AD5201數(shù)字電位計的電壓進行緩沖，然后用于熱電偶共模電壓，通常為電源電壓的一半，即2.5 V。33位數(shù)字電位計AD5201采用低漂移(5 ppm/°C) 4.096 V基準電壓源ADR3440驅(qū)動，以獲得所需精度。

開啟ADG738并關斷ADG702，則AD8603產(chǎn)生RTD激勵電流，即IEXC = VW/RREF。

溫度測量是一種高精度、低速度的應用，因此有足夠的建立時間可在全部4個通道間切換單個電流源，提供出色的通道間匹配性能、低成本以及較小的PCB尺寸面積。

ADG738是一款8:1多路復用器，可在通道間切換電流源。為了支持雙線式、三線式和四線式RTD配置，這四個通道中的每一個都需要兩個開關。

在很多應用中，RTD都有可能放置在遠離測量電路的地方。長引線電阻可能會產(chǎn)生較大的誤差，尤其用于低電阻RTD時。為了最大程度減少引線電阻效應，支持三線式RTD配置，如圖3所示。

關斷ADG738的S1，同時打開S2，則AD7193輸入端的電壓為V1。打開S1，同時關斷S2，則AD7193輸入端電壓為V2。RTD傳感器兩端的電壓為VRTD，而電流源的激勵電流為IEXC。V1和V2包括引線電阻產(chǎn)生的誤差，如下所示：

放大

保護電路

在制造過程中和現(xiàn)場使用時，都有可能產(chǎn)生瞬變和過壓條件。為了獲得較高的保護水平，有必要使用外部保護電路，補充IC的內(nèi)部集成保護電路。外部保護功能會增加額外的電容、電阻和漏電流。這些效應應當仔細考慮，以獲得高精度水平。額外保護電路如圖5所示。

漏電流會對RTD測量造成巨大影響，應仔細考慮。當較長的熱電偶引線具有極高電阻時，漏電流也會對熱電偶測量產(chǎn)生一些誤差。

本電路中，PTVS30VP1UP瞬變電壓抑制器(TVS)可快速箝位任何瞬變電壓至30 V(25°C時典型漏電流僅1 nA)。選擇30 V TVS，以便支持30 V直流過壓。使用1.69 kΩ電阻，后接低泄露BAV199LT1G肖特基二極管，用于在瞬變和直流過壓事件發(fā)生時將電壓箝位至5 V供電軌。在30 V直流過壓條件下，1.69 kΩ電阻將流過外部二極管的電流限制為15 mA。為了確保供電軌能夠吸取該電流，可使用齊納二極管將供電軌進行箝位處理，以保證它不超過連接電源的任意IC的絕對最大額定值。選擇5.6 V齊納二極管(NZH5V6B)實現(xiàn)這一目的。300 Ω電阻可進一步限制有可能進入AD7193或ADG738的電流。

隔離

ADuM5401和ADuM1280使用ADI iCoupler®技術，在測量端和電路控制器端之間提供2500 V rms隔離電壓。ADuM5401還提供隔離電源，用于電路的測量端。ADuM5401采用了isoPower技術，該項技術使用高頻開關元件，通過變壓器傳輸電力。設計印刷電路板(PCB)布局時應特別小心，必須符合相關輻射標準。有關電路板布局建議，請參考應用筆記AN-0971。

熱電偶配置測試結果

電路的性能高度依賴于傳感器和AD7193的配置。K類熱電偶輸出變化范圍為−10 mV至+60 mV，對應溫度范圍為−200°C至+1350°C。AD7193 PGA配置為G = 32。PGA電壓擺幅范圍為−320 mV至+1.92 V，即2.24 V p-p。斬波使能時，50 Hz/60Hz噪聲抑制使能，濾波器字FS[9:0] = 96，1024個樣本的噪聲分布直方圖如圖6所示。

Fluke 5700A校準儀提供分辨率為10 nV的高精度直流電壓源，用于校準以及測試。圖8中的電壓誤差位于0.2 μV理想范圍內(nèi)，相當于大約0.004°C。該結果是系統(tǒng)在25°C時校準后的短期精度，此時沒有溫度漂移效應。本電路的主要誤差來源于冷結補償測量。在本電路中，ADT7310用于冷結補償，典型誤差為−0.05°C，采用5 V電源時，在−40°C至+105°C溫度范圍內(nèi)的最差情況誤差為±0.8°C。若使用3 V電源，則器件在該溫度范圍內(nèi)具有±0.4°C的最大誤差。

RTD配置測試結果

對于Pt100 RTD，默認ADC的增益設置為G = 8，而對于Pt1000 RTD，默認增益設置為G = 1。ADC的基準電壓等于4.02 kΩ參考電阻兩端的電壓。Pt100 RTD的溫度系數(shù)大約為0.385 Ω/°C，且+850°C時電阻可高達400 Ω。若默認激勵電流為400 μA，則最大RTD電壓大約為160 mV。ADC基準電壓為4.02 kΩ × 400 μA = 1.608 V。對于G = 8，最大RTD電壓為160 mV × 8 = 1.28 V，該值大致為可用范圍的80%。

對于Pt1000 RTD，+850°C時的最大電阻約為4000 Ω。默認激勵電流為380 μA，從而最大RTD電壓為1.52 V。ADC的基準電壓為4.02 kΩ × 380 μA = 1.53 V。采用默認增益設置G = 1，則RTD最大電壓便可利用幾乎所有的可用范圍。

RTD電阻R以ADC代碼(Code)、分辨率(N)、參考電阻(RREF)和增益(G)表示的通用表達式如下所示：

精度

誤差量取決于輸入端的配置。完成輸入配置后，可進行室溫校準，進一步減少誤差。

以實驗方式顯示漏電流效應。每通道均首先配置為四線式RTD。100 Ω固定電阻連接RTD位置上的通道1。0 Ω電阻連接另外3個通道的輸入。

增益設為G = 1，激勵電流為380 μA(Pt1000配置)。

收集數(shù)據(jù)，然后依次移除連接通道4、通道3和通道2的跳線，收集每種條件下的數(shù)據(jù)。結果如圖9所示。

ADC代碼從大約437,800變化到437,600，相應的測量值從104.9015 Ω變化到104.8627或0.0388 Ω。這表示測量誤差大約為0.1°C;然而，通過在室溫下采用固定輸入配置進行校準，即可消除誤差。

常見變化

AD779x屬于低噪聲、低功耗、16/24位Σ-Δ型ADC系列，更適合信號通道或低功耗應用。ADT7311是一款±0.5°C精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器，符合汽車應用規(guī)范。使用數(shù)字溫度傳感器(如ADT7320，精度為±0.25°C)，可以改進冷結補償電路的精度。

集成DC-DC轉換器的數(shù)字隔離器ADuM6401提供最高5 kV的RMS隔離。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0287-SDPZ電路板和SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)系統(tǒng)演示平臺控制器板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。EVAL-CN0287-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP-B控制器板與CN0287評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0287-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設備要求

需要以下設備：

· 帶USB端口的Windows® XP(32位)、Windows Vista®或Windows® 7 PC

· EVAL-CN0287-SDPZ電路板

· EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制器板

· CN-0287 SDP評估軟件

· EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流電源或同等6 V/1 A臺式電源

· RTD或熱電偶傳感器或傳感器仿真器(評估軟件支持下列RTD：Pt100、Pt1000;熱電偶：K類、J類、T類、S類)

· 開始使用

將CN0287評估軟件光盤放進PC的光盤驅(qū)動器，安裝評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件的驅(qū)動器。

功能框圖

電路框圖見圖1，完整的電路原理圖見EVAL-CN0287-SDPZ-PADSSchematic.pdf文件。此文件位于CN0287設計支持包中：www.analog.com/CN0287-DesignSupport。圖10顯示測試設置的功能框圖。

設置

將EVAL-CN0287-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z控制器板(SDP-B)上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個6 V電源連接到電路板上的+6 V和GND引腳。如果有6 V壁式電源適配器，可將其連接到板上的管式連接器J2，代替6 V電源。SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。此時請勿將該USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

接通6 V電源，為評估板和SDP板上電，然后將Mini-USB電纜連接到SDP板上的Mini-USB端口。

測試

啟動評估軟件。一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0287-SDPZ板的數(shù)據(jù)。

圖11顯示EVAL-CN0287-SDPZ評估板連接SDP板的照片。有關SDP-B板的信息，請參閱SDP-B用戶指南。

有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細信息，請參閱CN-0287軟件用戶指南：

針對原型開發(fā)的連接

EVAL-CN0287-SDPZ評估板設計用于EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板，但任何微處理器都可通過PMOD連接器J6實現(xiàn)與SPI接口的對接。有關PMOD連接器的引腳定義可參見CN0287設計支持包中CN0287評估板的原理圖。為使另一個控制器能與EVAL-CN0287-SDPZ評估板一同使用，第三方必須開發(fā)相應的軟件。