不懂模擬電路設(shè)計(jì)？如何完成溫度信號采集？

溫度傳感電路是許多工業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，在溫度傳感元件之中，金屬鉑制成的熱電阻PT100可保證長期穩(wěn)定性，寬溫度范圍內(nèi)最精確。本文介紹幾種PT100采集電路方案，分析精密溫度采集電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

常規(guī)的電路方案

1. 使用ADI和TI公司的高集成ADC芯片完成采集。電路需要少量的外圍無源元件，先從ADC讀取采樣值，再在MCU中進(jìn)行查表換算，將采樣值換算成溫度值。

2. 使用國產(chǎn)的信號鏈芯片自行搭建。隨著國內(nèi)基礎(chǔ)模擬信號鏈芯片的日益完善，考慮使用國產(chǎn)器件完成同等性能的電路，如圖1。這樣能降低物料供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)一步優(yōu)化成本，實(shí)現(xiàn)溫度采集，這類基礎(chǔ)物理量采集電路的自主可控。圖1電路主要由24位SD型ADC、運(yùn)放、模擬開關(guān)、LDO、MCU等組成，這些基礎(chǔ)元件的國產(chǎn)芯片已經(jīng)成熟可用，并且有可替換的國產(chǎn)型號。

圖1 國產(chǎn)信號鏈搭建的電路方案

搭建精密溫度采集電路的要點(diǎn)

1. 使用比率法測量。電路實(shí)現(xiàn)如圖2，測量精度和穩(wěn)定性在理論上只與精密參考電阻相關(guān)，能夠避開國產(chǎn)24位ADC器件自身增益誤差、增益漂移等的不完美。

圖2 比率法測量電路

上述電路 IEXC 為激勵(lì)電流源，VRTD 是PT100兩端的電壓值，VREF 是ADC基準(zhǔn)輸入端的電壓值，有如下兩個(gè)表達(dá)式。

合并之后，得到 RRTD 的表達(dá)式。

CodeRTD 是ADC采集RTD兩端電壓得到的二進(jìn)制代碼，Codefull_scales 是ADC滿量程時(shí)的二進(jìn)制代碼，從 RRTD 表達(dá)式可以看到， RRTD 測量值僅與Code的比率值和精密參考電阻相關(guān)。當(dāng)使用10ppm電阻做為參考電阻時(shí)，該比率測量電路可以獲得10ppm左右的測量電路溫漂性能，卻不需要精密電壓基準(zhǔn)。

2. 考慮出廠校準(zhǔn)。在比率法中，精密參考電阻決定了整體電路的增益誤差，精密電阻自身精確度一般為0.1%，并且比率法不能修正ADC的失調(diào)電壓誤差。當(dāng)需要獲得0.1%及更高的電路精確度時(shí)，需要對電路進(jìn)行出廠校準(zhǔn)。

3. 抗工頻干擾。PT100測量電路是典型的低速精密模擬電路，1mA激勵(lì)時(shí)，傳感元件兩端的電壓值約在300mV以下，容易受到50Hz工頻干擾信號影響，需要對采集數(shù)據(jù)做陷波或?yàn)V波處理。

4. 驗(yàn)證工作環(huán)境溫度和EMC性能。搭建好的整體測量電路，需要在-40~+85℃環(huán)境溫度下，驗(yàn)證實(shí)際測量精度和漂移；驗(yàn)證ESD靜電放電和EFT群脈沖干擾環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，以滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的可靠性要求。

ZAM6222兩路熱電阻采集模塊

ZAM6222是一款針對PT100的工業(yè)雙通道熱電阻測溫模塊，基于國產(chǎn)基礎(chǔ)信號鏈元件和比率法進(jìn)行設(shè)計(jì)，已集成完整的精密溫度測量信號鏈路，圖3為其內(nèi)部框圖。ZAM6222出廠基于Fluke5522A校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)體系進(jìn)行校準(zhǔn)，溫度檢測精度可達(dá)0.02%±0.1℃，溫度測量范圍-200~800℃，電路溫漂最大15ppm。模塊支持50Hz工頻干擾抑制功能，整體電路經(jīng)過-40~+85℃環(huán)境溫度下的測量精度和溫漂驗(yàn)證，支持4000V的ESD和1000V的EFT性能。

圖3 ZAM6222內(nèi)部框圖

ZAM6222內(nèi)部完成溫度查表轉(zhuǎn)換，可以通過 I2C 接口直接讀取以“℃”為單位的測溫?cái)?shù)據(jù)。用該模塊實(shí)現(xiàn)兩路PT100熱電阻溫度采集的典型電路如圖4，可見外圍電路簡潔。相對于電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、校準(zhǔn)和驗(yàn)證的時(shí)間和設(shè)備投入，ZAM6222提供了免復(fù)雜設(shè)計(jì)、免復(fù)雜調(diào)試、直接讀取溫度值的簡潔方案。

圖4 ZAM6222典型應(yīng)用電路