如何选择并设计最佳RTD温度检测系统

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激励电流、增益和外部元件的选择
理想情况下，我们倾向于选择较高的激励电流以产生较高的输出电压，并使ADC输入范围最大化。然而，由于传感器为阻性，设计人员还必须确保大值激励电流的功耗或自发热效应不会影响测量结果。系统设计人员可能选择高激励电流。但是，为使自发热最小化，在两次测量之间需要关闭激励电流。设计人员需要考虑时序对系统的影响。另一种方法是选择较低激励电流，以使自发热最小。时序现已最小化，但设计人员需要确定系统性能是否受到影响。所有方案都可以通过RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator进行测试。该工具允许用户平衡激励电流、增益和外部元件的选择，以确保模拟输入电压得到优化，同时调整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和系统性能，即噪声和失调误差更低。
要了解所得到的滤波曲线，或者要更深入地了解转换时序，VirtualEval在线工具可提供相关细节。
Σ-Δ型ADC的ADC输入和基准输入均由开关电容前端连续采样。对于所讨论的RTD系统，基准输入也受外部基准电阻驱动。建议在Σ-Δ型ADC的模拟输入端使用一个外部RC滤波器用于抗混叠。为了EMC目的，系统设计人员可以在模拟输入端和基准输入端使用较大R和C值。大RC值在测量中可能引起增益误差，因为在两个采样时刻之间的时间里，前端电路没有充足的时间来建立。缓冲模拟和基准输入可防止此类增益误差，从而允许使用不受限制的R和C值。
对于AD7124-4/AD7124-8，当使用大于1的内部增益时，模拟输入缓冲器自动使能，由于PGA放置在输入缓冲器的前面，并且PGA是轨到轨的，所以模拟输入也是轨到轨的。但是，对于基准缓冲器，或者在增益为1时使用ADC且使能模拟输入缓冲器，则有必要确保提供正确运行所需的裕量。
Pt100输出的信号电平很低，大约为几百mV 。为获得最佳性能，可以使用宽动态范围的ADC 。或者使用一个增益级来放大信号，再将其应用于ADC 。AD7124-4/AD7124-8支持1到128的增益，因而可以针对各种激励电流优化设计。PGA增益的多个选项允许设计人员在激励电流值与增益、外部元件、性能之间取舍。RTD配置工具会指示新的激励电流值是否能与所选RTD传感器一起使用。它还会给出精密基准电阻和基准裕量电阻的适当建议值。请注意，该工具可确保ADC在规格范围内使用--它会显示支持相关配置的可能增益。AD7124激励电流具有输出顺从性；也就是说，提供激励电流的引脚上的电压相对于AVDD需要一些裕量。该工具也会确保符合该顺从规格。
借助RTD工具，系统设计人员可以保证系统在ADC和RTD传感器的工作限值内运行。基准电阻等外部元件的精度及其对系统误差的贡献将在稍后讨论。
滤波选项（模拟和数字50Hz/60Hz抑制）
如前所述，建议将抗混叠滤波器配合Σ-Δ型转换器使用。嵌入式滤波器是数字式，所以频率响应在采样频率附近折回。为了充分衰减调制器频率及其倍数处的干扰，必须使用抗混叠滤波。Σ-Δ型转换器会对模拟输入过采样，因此抗混叠滤波器的设计大大简化，只需要一个简单的单极点RC滤波器。
当最终系统投入现场使用时，处理来自系统所处环境的噪声或干扰可能非常有挑战性，尤其是在工业自动化、仪器仪表、过程控制或功率控制等应用领域，这些应用要求耐噪，同时不能产生太大噪声而影响到相邻元器件。噪声、瞬态或其他干扰源会影响系统精度和分辨率。当系统由交流电源供电时，也会产生干扰。交流电源频率在欧洲是50Hz及其倍数，在美国是60Hz及其倍数。因此，当设计RTD系统时，必须考虑具有50Hz/60Hz抑制能力的滤波电路。许多系统设计人员希望设计一个能够同时抑制50Hz和60Hz的通用系统。
大多数较低带宽ADC（包括AD7124-4/AD7124-8）提供多种数字滤波选项，通过编程可将陷波频率设置为50Hz/60Hz 。所选滤波器选项会影响输出数据速率、建立时间以及50Hz/60Hz抑制。使能多个通道时，每次切换通道都需要一个建立时间以便产生转换结果。因此，选择具有较长建立时间的滤波器类型（即sinc4或sinc3）会降低整体吞吐速率。在这种情况下，可使用后置滤波器或FIR滤波器以较短的建立时间提供合理的50Hz/60Hz同时抑制，从而提高吞吐速率。
功耗考虑
系统的电流消耗或功耗预算分配高度依赖于最终应用。AD7124-4/AD7124-8具有三种功耗模式，支持在性能、速度和功耗之间进行权衡。便携式或远程应用须使用低功耗器件和配置。对于某些工业自动化应用，整个系统都由4mA到20mA环路供电，因此允许的电流预算最大值仅有4mA 。对于此类应用，可以将器件设置为中功率或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍能提供高性能。如果应用是由交流电源供电的过程控制，则电流消耗可以高得多，因此器件可以设置为全功率模式，该系统可以实现高得多的输出数据速率和更高的性能。
误差源和校准选项
知道所需的系统配置之后，下一步是估算与ADC相关的误差和系统误差。这些误差可帮助系统设计人员了解前端和ADC配置是否满足整体目标精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允许用户修改系统配置以获得最佳性能。例如，图9显示了所有误差的摘要。系统误差饼图表明，外部基准电阻的初始精度及其温度系数是系统总误差的主要贡献因素。因此，必须考虑使用更高精度和更好温度系数的外部基准电阻。
ADC引起的误差不是系统总误差的最重要贡献因素。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的内部校准模式可以进一步减小ADC的误差贡献。建议在上电或软件初始化时进行内部校准，以消除ADC增益和失调误差。请注意，这些校准不会消除外部电路造成的误差。但是，ADC还支持系统校准，使得系统失调和增益错误可以最小化，但这可能会增加额外的成本，大多数应用可能不需要。
故障检测
对于恶劣环境或安全很重要的应用，诊断正成为行业要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式诊断减少了对外部元件实现诊断的需求，使得解决方案尺寸更小、时间更短且成本更低。诊断包括：
检查模拟引脚上的电压电平，确保其在额定工作范围内
串行外设接口（SPI）总线的循环冗余校验（CRC）
存储器映射的CRC
信号链检查
这些诊断使得解决方案更强大。根据IEC61508，典型3线RTD应用的失效模式、影响和诊断分析（FMEDA）表明安全失效比率（SFF）大于90% 。
RTD系统评估
【如何选择并设计最佳RTD温度检测系统】图10显示了来自电路笔记CN-0383的一些测量数据。该测量数据是利用AD7124-4/AD7124-8评估板获得，其中包括2-/3-/4-线RTD的演示模式，并计算了相应的摄氏温度值。结果表明，2线RTD实现方案的误差更接近误差边界的下限，而3线或4线RTD实现方案的总体误差完全在允许限值以内。2线测量中的较高误差源于前面所述的引线电阻误差。

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图9.RTD误差源计算程序

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图10.2-/3-/4-线RTD温度精度测量后置滤波器，低功耗模式，25SPS
这些例子说明，当与ADI公司的较低带宽Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）一起使用时，遵循上述RTD指南将能实现高精度、高性能设计。电路笔记（CN-0383）也可用作参考设计，帮助系统设计人员快速实现原型。评估板允许用户评估系统性能，每种示例配置演示模式都可以使用。进一步说，使用ADI生成的示例代码（可从AD7124-4/AD7124-8产品页面获得），可以轻松开发出不同RTD配置的固件。
采用Σ-Δ架构的ADC（例如AD7124-4/AD7124-8）适合于RTD测量应用，因为其解决了诸如50Hz/60Hz抑制之类的问题，并且模拟输入具有宽共模范围（基准输入也可能有）。另外，这些器件具有高集成度，包含RTD系统设计所需的全部功能。它们还提供增强特性，如校准能力和嵌入式诊断。这种集成度加上完整的系统资料或生态系统，将能简化整体系统设计，降低成本，缩短从概念到原型的设计周期。
为使系统设计人员的设计之旅更轻松，可以使用RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN-0383来解决不同的挑战，例如连接问题和整体误差预算，将用户的设计体验提升到更高层次。
结论
本文已说明，设计RTD温度测量系统是一个具挑战性的多步骤过程。它需要选择不同的传感器配置、ADC和优化，并考虑这些决策如何影响整体系统性能。ADI公司的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN-0383，通过解决连接和整体误差预算问题来简化该过程。
作者简介
JellenieRodriguez是ADI公司精密转换器技术部的一名应用工程师。她主要关注用于直流测量的精密Σ-Δ型ADC 。她于2012年加入ADI公司，2011年毕业于SanSebastianCollege-RecoletosdeCavite，获得电子工程学士学位。
MaryMcCarthy是ADI公司应用工程师。她于1991年加入ADI公司，在爱尔兰科克市的线性与精密技术应用部工作，主要关注精密Δ-Σ型转换器。她于1991年毕业于科克大学，获得电子与电气工程学士学位。

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