优化 RTD 温度传感系统：参考设计

在本系列关于 RTD 的三部分文章的第一篇文章中，我们介绍了温度测量挑战、RTD 类型、不同配置以及 RTD 配置电路。在第二篇文章中，我们概述了三种不同的 RTD 配置：2 线、3 线和 4 线。在本系列的最后一篇文章中，我们将探讨 RTD 系统优化、外部组件的选择以及如何评估最终的 RTD 系统。

RTD 系统优化

从系统设计人员的问题来看，设计和优化 RTD 应用解决方案涉及不同的挑战。挑战一是前几节讨论过的传感器选择和连接图。挑战二是测量配置，包括 ADC 配置、设置激励电流、设置增益和选择外部组件，同时确保系统优化并在 ADC 规格内运行。最后，最关键的问题是如何实现目标性能以及哪些误差源会导致整个系统误差。

幸运的是，有一个新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它为从概念到原型设计的 RTD 测量系统提供了实际解决方案。

工具：

· 帮助理解正确的配置、接线和电路图

· 帮助理解不同的错误源并允许设计优化

该工具是围绕 AD7124-4/AD7124-8 设计的。它允许客户调整激励电流、增益和外部元件等设置。它指示超出范围的条件，以确保最终解决方案符合 ADC 的规格。

激励电流、增益和外部元件的选择

理想情况下，我们倾向于选择更高的激励电流幅度来产生更高的输出电压并最大化 ADC 输入范围。但是，由于传感器是电阻性的，设计人员还必须确保大激励电流值的功耗或自热效应不会影响测量结果。系统设计人员可以选择高激励电流。但是，为了最大限度地减少自热，需要在测量之间关闭激励电流。设计人员需要考虑系统的时间影响。另一种方法是选择较低的激励电流以最大限度地减少自热。现在时间已最小化，但设计人员需要确定系统性能是否受到影响。所有场景都可以通过RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator。该工具允许用户平衡激励电流、增益和外部组件的选择，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更好的系统性能，这意味着更低的噪声和更低的失调误差。

为了理解最终的滤波器配置文件或更深入地了解转换的时间，VirtualEval 在线工具提供了这些详细信息。

sigma-delta ADC 的 ADC 输入和参考输入均由开关电容前端连续采样。对于正在讨论的 RTD 系统，参考输入也由外部参考电阻驱动。建议在 sigma-delta ADC 的模拟输入上使用外部 RC 滤波器，以实现抗混叠目的。出于 EMC 目的，系统设计人员可以在模拟输入和参考输入上使用较大的 R 和 C 值。较大的 RC 值可能会导致测量中的增益误差，因为前端电路没有足够的时间在采样时刻之间稳定下来。缓冲模拟和参考输入可防止这些增益误差，并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，模拟输入缓冲器会自动启用，并且由于 PGA 位于输入缓冲器的前面，因此由于 PGA 是轨到轨的，所以模拟输入也是轨到轨的。但是，对于参考缓冲器或使用增益为 1 的 ADC 且模拟输入缓冲器已启用，则必须确保满足正确操作所需的裕量。

Pt100 的信号为低电平。它们的数量级为数百 mV。为了获得最佳性能，可以使用具有宽动态范围的 ADC。或者，可以使用增益级在将信号施加到 ADC 之前对其进行放大。AD7124-4/AD7124-8 支持从 1 到 128 的增益，从而允许针对各种激励电流进行优化设计。PGA 增益的多个允许选项允许设计人员在激励电流值与增益、外部元件和性能之间进行权衡。RTD 配置器工具指示新的激励电流值是否可以与所选的 RTD 传感器一起使用。还建议使用合适的精密参考电阻和参考余量电阻值。请注意，该工具可确保 ADC 的使用符合规格——它会显示支持配置的可能增益。AD7124 激励电流具有输出合规性;也就是说，提供激励电流的引脚上的电压需要与 AVDD 有一定的裕度。该工具还将确保满足此合规性规格。

RTD 工具可帮助系统设计人员确保系统符合 ADC 和 RTD 传感器的工作限值。外部元件(例如参考电阻)的精度及其对系统误差的影响将在后面讨论。

滤波选项(模拟和数字 50 Hz/60 Hz 抑制)

如前所述，建议使用 Sigma-Delta 转换器的抗混叠滤波器。由于嵌入式滤波器是数字滤波器，因此频率响应反映在采样频率附近。需要抗混叠滤波来充分衰减调制器频率和该频率的任何倍数处的任何干扰。由于 Sigma-Delta 转换器对模拟输入进行过采样，因此抗混叠滤波器的设计大大简化，只需一个简单的单极 RC 滤波器即可。

当最终系统在现场使用时，处理系统运行环境的噪声或干扰可能非常具有挑战性，特别是在工业自动化、仪器仪表、过程控制或电源控制等应用领域，这些应用领域需要耐受噪声，同时又不能对邻近组件造成噪声。噪声、瞬变或其他干扰源会影响系统的准确性和分辨率。当系统由主电源供电时，也可能发生干扰。主电源频率在欧洲为 50 Hz 及其倍数，在美国为 60 Hz 及其倍数。因此，在设计 RTD 系统时，必须考虑具有 50 Hz/60 Hz 抑制功能的滤波电路。许多系统设计师希望设计一个可以同时抑制 50 Hz 和 60 Hz 的通用系统。

大多数较低带宽 ADC(包括 AD7124-4/AD7124-8)都提供各种数字滤波选项，这些选项可以编程为将陷波设置为 50 Hz/60 Hz。所选的滤波器选项会影响输出数据速率、建立时间以及 50 Hz 和 60 Hz 抑制。启用多个通道时，每次切换通道时都需要建立时间来生成转换;因此，选择具有较长建立时间的滤波器类型(即 sinc4 或 sinc3)将降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或 FIR 滤波器可用于在较低的建立时间内提供合理的同时 50 Hz/60 Hz 抑制，从而提高吞吐率。

电源考虑

系统的电流消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用。AD7124-4/AD7124-8 包含三种功率模式，可在性能、速度和功率之间进行权衡。对于任何便携式或远程应用，必须使用低功耗组件和配置，而对于某些工业自动化应用，整个系统由 4 mA 至 20 mA 环路供电，因此仅允许最大 4 mA 的电流预算。对于此类应用，可以在中功率或低功耗模式下对器件进行编程。速度要低得多，但 ADC 仍能提供高性能。如果应用是过程控制，由主电源供电，则允许更高的电流消耗，因此该设备可以在全功率模式下进行编程，并且该系统可以实现更高的输出数据速率和更高的性能。

误差源和校准选项

了解所需的系统配置后，下一步是估算与 ADC 和系统误差相关的误差。这可帮助系统设计人员了解前端和 ADC 配置是否满足总体目标精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允许用户修改系统配置以获得最佳性能。系统误差饼图表明，外部参考电阻的初始精度及其温度系数是导致整体系统误差的主要误差因素。因此，考虑使用具有更高精度和更好温度系数的外部参考电阻非常重要。

ADC 引起的误差并不是整个系统误差中最重要的误差因素。但是，使用 AD7124-4/AD7124-8 的内部校准模式可以进一步降低 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产生的误差。但是，ADC 也可以支持系统校准，以便最大限度地减少系统失调和增益误差，但这可能会增加额外的成本，并且对于大多数应用来说可能不需要。

故障检测

对于任何恶劣环境或以安全为首要考虑的应用，诊断正成为行业要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式诊断功能减少了执行诊断所需的外部元件，从而实现了更小、更简单、更省时且更节省成本的解决方案。

诊断包括：

· 检查模拟引脚上的电压水平，以确保其在指定的工作范围内

· 串行外设接口 (SPI) 总线上的循环冗余校验 (CRC)

· 内存映射上的 CRC

· 信号链检查

这些诊断可带来更强大的解决方案。根据 IEC 61508，典型 3 线 RTD 应用的故障模式、影响和诊断分析 (FMEDA) 表明安全故障率 (SFF) 大于 90%。

RTD 系统评估

显示了电路笔记 CN-0383 中的一些测量数据。这些测量数据由 AD7124-4/AD7124-8 评估板捕获，该评估板包括 2 线、3 线和 4 线 RTD 的演示模式，并计算了相应的摄氏度值。结果表明，2 线 RTD 实现的误差更接近误差边界的下限，而 3 线或 4 线 RTD 实现的总体误差完全在允许限度之内。2 线测量中的较高误差是由于前面描述的引线电阻误差造成的。

这些例子表明，当与ADI的较低带宽的sigma-deltaADC一起使用时，如AD7124-4/AD7124-8，遵循上述RTD指南将导致高精度、高性能的设计。电路注释(CN-0383)也将作为一个参考设计，帮助系统设计者快速进行原型设计。评估板允许用户评估系统性能，其中可以使用每个样本配置演示模式。今后，可以使用AD7124-4/AD7124-8产品页面中提供的ADI生成的样本代码，轻松开发针对不同RTD配置的固件。

采用 sigma-delta 架构的 ADC(例如 AD7124-4/AD7124-8)适用于 RTD 测量应用，因为它们解决了 50 Hz/60 Hz 抑制以及模拟和可能的参考输入上的宽共模范围等问题。它们还高度集成，包含 RTD 系统设计所需的所有功能。此外，它们还提供增强功能，例如校准功能和嵌入式诊断。这种集成度以及完整的系统附属品或生态系统将简化从概念到原型设计的整体系统设计、成本和设计周期。

为了简化系统设计人员的工作，可以使用RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具以及在线工具 VirtualEval、评估板硬件和软件以及 CN-0383 来解决不同的挑战，例如连接问题和总体错误预算，并将用户的设计提升到新的水平。

结论

本文表明，设计 RTD 温度测量系统是一个具有挑战性、多步骤的过程。它需要在不同传感器配置、ADC 选择和优化方面做出选择，并确定这些决策如何影响整体系统性能。ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具、在线工具 VirtualEval、评估板硬件和软件以及 CN-0383 通过解决连接和总体误差预算问题来简化流程。