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(hù)

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(zhǔn)電壓源

ADG738：CMOS、低壓、三線式串行控制、矩陣開關(guān)

ADG702：CMOS、低壓、2 Ω單刀單擲(SPST)開關(guān)

AD5201：33位數(shù)字電位計(jì)

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(zhuǎn)換器

評估和設(shè)計(jì)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(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

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(jié)補(bǔ)償)，以及電阻高達(dá)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(lì)電流可針對最佳噪聲和線性度性能編程。

RTD測量精度達(dá)到0.1°C(典型值)，K類熱電偶測量精度達(dá)0.05°C(典型值)，這是因?yàn)閷?6位數(shù)字溫度傳感器ADT7310用于冷結(jié)補(bǔ)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(hù)。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(yīng)用中的溫度測量。熱電偶可測量極高的溫度，最高可達(dá)+2300°C左右，并且響應(yīng)時(shí)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(yuǎn)端RTD的長導(dǎo)線(數(shù)百米)電阻可采用三線式或四線式連接加以補(bǔ)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(jìn)行溫度測量的地方，稱為測量結(jié)點(diǎn)。另一端連接精密電壓測量單元，該連接稱為參考結(jié)點(diǎn)，或者稱為冷結(jié)。測量結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)之間的溫差產(chǎn)生電壓(稱為塞貝克效應(yīng)電壓)，數(shù)值與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫度差有關(guān)，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(zhuǎn)換為絕對溫度，則必須精確知道冷結(jié)溫度。一般而言，1°C至2°C便已足夠，雖然由于冷結(jié)溫度測量誤差會直接增加絕對溫度誤差，但較高的冷結(jié)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(yù)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(gè)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?yàn)闉榱朔乐棺园l(fā)熱，激勵(lì)電流通常僅數(shù)百微安。

對于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(hù)都是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。

本電路工作原理

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

33位數(shù)字電位計(jì)AD5201、運(yùn)算放大器AD8603和單通道開關(guān)ADG702構(gòu)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(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)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(jié)補(bǔ)償。ADR3440是一款低噪聲、高精度、4.096 V基準(zhǔn)電壓源，連接AD7193的REFIN1(+)/REFIN1(−)，用于熱電偶測量。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

AD7193是一款適合高精密測量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端。它集成一個(gè)低噪聲、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)行適當(dāng)配置。片內(nèi)多路復(fù)用器允許四個(gè)差分輸入通道共享同一個(gè)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(zhuǎn)換至AD7193的輸入范圍內(nèi)。圖2所示電路同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，并采用了低噪聲CMOS軌到軌輸入/輸出運(yùn)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(shí)，還配合使用了單通道CMOS低壓2 Ω單刀單擲(SPST)開關(guān)ADG702，以及8通道矩陣開關(guān)ADG738。

開啟ADG738并關(guān)斷ADG702，則AD8603可用作熱電偶應(yīng)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(jì)的電壓進(jìn)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(jì)AD5201采用低漂移(5 ppm/°C) 4.096 V基準(zhǔn)電壓源ADR3440驅(qū)動，以獲得所需精度。

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

溫度測量是一種高精度、低速度的應(yīng)用，因此有足夠的建立時(shí)間可在全部4個(gè)通道間切換單個(gè)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(fù)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(gè)通道中的每一個(gè)都需要兩個(gè)開關(guān)。

在很多應(yīng)用中，RTD都有可能放置在遠(yuǎn)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(shí)。為了最大程度減少引線電阻效應(yīng)，支持三線式RTD配置，如圖3所示。

關(guān)斷ADG738的S1，同時(shí)打開S2，則AD7193輸入端的電壓為V1。打開S1，同時(shí)關(guān)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(lì)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(hù)電路

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

漏電流會對RTD測量造成巨大影響，應(yīng)仔細(xì)考慮。當(dāng)較長的熱電偶引線具有極高電阻時(shí)，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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)這一目的。300 Ω電阻可進(jìn)一步限制有可能進(jìn)入AD7193或ADG738的電流。

隔離

ADuM5401和ADuM1280使用ADI iCoupler®技術(shù)，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(shù)，該項(xiàng)技術(shù)使用高頻開關(guān)元件，通過變壓器傳輸電力。設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)布局時(shí)應(yīng)特別小心，必須符合相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)電路板布局建議，請參考應(yīng)用筆記AN-0971。

熱電偶配置測試結(jié)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(yīng)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(shí)，50 Hz/60Hz噪聲抑制使能，濾波器字FS[9:0] = 96，1024個(gè)樣本的噪聲分布直方圖如圖6所示。

Fluke 5700A校準(zhǔn)儀提供分辨率為10 nV的高精度直流電壓源，用于校準(zhǔn)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(dāng)于大約0.004°C。該結(jié)果是系統(tǒng)在25°C時(shí)校準(zhǔn)后的短期精度，此時(shí)沒有溫度漂移效應(yīng)。本電路的主要誤差來源于冷結(jié)補(bǔ)償測量。在本電路中，ADT7310用于冷結(jié)補(bǔ)償，典型誤差為−0.05°C，采用5 V電源時(shí)，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(jié)果

對于Pt100 RTD，默認(rèn)ADC的增益設(shè)置為G = 8，而對于Pt1000 RTD，默認(rèn)增益設(shè)置為G = 1。ADC的基準(zhǔn)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(shí)電阻可高達(dá)400 Ω。若默認(rèn)激勵(lì)電流為400 μA，則最大RTD電壓大約為160 mV。ADC基準(zhǔn)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(shí)的最大電阻約為4000 Ω。默認(rèn)激勵(lì)電流為380 μA，從而最大RTD電壓為1.52 V。ADC的基準(zhǔn)電壓為4.02 kΩ × 380 μA = 1.53 V。采用默認(rèn)增益設(shè)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(dá)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(jìn)行室溫校準(zhǔn)，進(jìn)一步減少誤差。

以實(shí)驗(yàn)方式顯示漏電流效應(yīng)。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(gè)通道的輸入。

增益設(shè)為G = 1，激勵(lì)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(jié)果如圖9所示。

ADC代碼從大約437,800變化到437,600，相應(yīng)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(jìn)行校準(zhǔn)，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(yīng)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(yīng)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(jìn)冷結(jié)補(bǔ)償電路的精度。

集成DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備要求

需要以下設(shè)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(jìn)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(shè)計(jì)支持包中：www.analog.com/CN0287-DesignSupport。圖10顯示測試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)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(gè)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(shí)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(guān)SDP-B板的信息，請參閱SDP-B用戶指南。

有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)與SPI接口的對接。有關(guān)PMOD連接器的引腳定義可參見CN0287設(shè)計(jì)支持包中CN0287評估板的原理圖。為使另一個(gè)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(yīng)的軟件。