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±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)境下常見的接地環(huán)路干擾問題。

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

Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page)

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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)通過等式1來重新計(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MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見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2 mm。如果旁路電容的走線長(zhǎng)度超過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來實(shí)現(xiàn)安全功能，因?yàn)樗唇?jīng)過高電位測(cè)試(也稱為高壓測(cè)試或耐壓絕緣測(cè)試)，也未通過安全認(rèn)證。

常見變化

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. 常見溫度范圍的電阻值1

AD7091與AD7091R類似，但沒有基準(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(若無電阻箱，可執(zhí)行校準(zhǔn)過程)

開始使用

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“My Computer”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開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USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC。

4. 通過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板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行數(shù)據(jù)。可將輸入溫度值(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