至比特轉(zhuǎn)換器解決了溫度傳感器精確測量難題

要數(shù)字化這些基本傳感器元 件， 就需要專門的模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計和固件開發(fā)技術(shù)。LTC2983將這些專門技術(shù)整合到單一IC中，解決了與熱電偶、RTD、熱敏電阻器以及二極管 有關(guān)的每一種獨特挑戰(zhàn)。該器件整合了每種類型傳感器所必需的模擬電路和溫度測量算法以及線性化數(shù)據(jù)，以直接測量每種傳感器，并以℃為單位輸出測量結(jié)果。

熱電偶概述

熱 電偶產(chǎn)生的電壓是熱電偶尖頭(熱電偶溫度)和電路板上電氣連接點(冷接點溫度)之間溫差的函數(shù)。為了確定熱電偶溫度，需要準確測量冷接點溫度，這種方法即 大家熟知的冷接點補償。冷接點溫度通常由單獨放置在冷接點處的溫度傳感器(非熱電偶)確定。LTC2983允許二極管、RTD和熱敏電阻器作為冷接點傳感 器使用。為了將來自熱電偶的電壓輸出轉(zhuǎn)換成溫度，必須求解(利用表或數(shù)學(xué)函數(shù))高階多項式( 高達14 階) 以得到被測電壓和冷接點溫度。LTC2983內(nèi)置了用于所有8種標準熱電偶(J、K、N、T、R、S、T和B)的多項式，以及用于定制熱電偶的用戶設(shè)定表 數(shù)據(jù)。LTC2983同時測量熱電偶輸出和冷接點溫度，并執(zhí)行所有必需的計算，然后以℃為單位報告熱電偶溫度。

熱電偶：重要的是什么?

熱 電偶產(chǎn)生的輸出電壓很低( 滿標度時< 100 m V)。由于ADC存在偏移和噪聲，所以所測量電壓值必須很低。此外，該電壓是絕對電壓讀數(shù)，需要準確/低漂移基準電壓。LTC2983含有一個低噪聲、偏 移連續(xù)校準的24位增量累加ADC(偏移和噪聲<1μV)，并具備最大值為10ppm/℃的基準。

當(dāng)熱電偶尖頭裸露于低于冷接點溫度的環(huán)境時，熱電偶的輸出電壓還能夠低于地。這迫使系統(tǒng)增加第二個負電源或者輸入電平移位電路，因此使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。LTC2983納入了一個專有前端，能夠用以地為基準的單一電源對信號進行數(shù)字化。

除 了提供很高的測量準確度，熱電偶電路還必須采用噪聲抑制、輸入保護和抗混疊濾波。LTC2983的輸入阻抗很高，最大輸入電流低于1nA。該器件可以采用 外部保護電阻器和濾波電容器，而不會引入額外誤差。LTC2983包含一個內(nèi)置數(shù)字濾波器和對50Hz及60Hz的75dB抑制。

故 障檢測是很多熱電偶測量系統(tǒng)的重要功能。最常見的故障是開路(熱電偶損壞或未插入)。過去，在熱電偶輸入端加上電流源或上拉電阻器以檢測這類故障。這種方 式的問題是，這些感應(yīng)信號導(dǎo)致誤差和噪聲，并與輸入保護電路相互作用。LTC2983包括一個獨特的開路檢測電路，該電路可在測量周期開始前一刻檢查熱電 偶是否損壞。在這種情況下，開路激勵電流/電阻器不干擾測量準確度。LTC2983還報告與冷接點傳感器有關(guān)的故障。該器件還檢測、報告靜電放電 (ESD)事件，并能夠從這類事件中恢復(fù)，當(dāng)在工業(yè)環(huán)境中使用較長的傳感器連線時，有可能發(fā)生這類事件。LTC2983還通過其故障報告指示所測溫度是否 高于/低于特定熱電偶預(yù)期的溫度范圍。

二極管概述

二極管是可用作溫度傳感器的低價半導(dǎo)體器件。這類器件一般用作熱電偶的冷接點傳感器。當(dāng)給二極管加上激勵電流時，二極管產(chǎn)生的電壓是溫度以及所加電流的函數(shù)。如果將兩個完美匹配、已知比率的激勵電流源加到二極管上，那么輸出就是可知與溫度成比例(PTAT)的電壓。

二極管：重要的是什么?

為 了產(chǎn)生具備已知比例的PTAT電壓，需要兩個高度匹配、成比例的電流源。LTC2983依靠增量累加過采樣架構(gòu)準確地產(chǎn)生這一比率。連接到該ADC的二極 管和引線含有未知的寄生二極管效應(yīng)。LTC2983提供3電流測量模式，消除了寄生引線電阻。不同二極管制造商規(guī)定了不同的二極管非理想系數(shù)。 LTC2983允許單獨設(shè)定每個二極管的非理想系數(shù)。因為測量的是絕對電壓，ADC基準電壓的值和漂移都很關(guān)鍵。LTC2983包含在工廠中微調(diào)過最大值 為10ppm/℃的基準。

LTC2983自動產(chǎn)生成比例的電流、測量所產(chǎn)生的二極管電壓、利用所設(shè)定的非理想性數(shù)據(jù)計算溫度 并以℃為單位輸出結(jié)果。該器件還可以用作熱電偶的冷接點傳感器。如果二極管損壞、短路或插入不正確，那么如果用LTC2983測量冷接點溫 度，LTC2983就會檢測這種故障，并在轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出字以及相應(yīng)的熱電偶測量結(jié)果中報告該故障。

RTD概述

RTD是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。為了測量一個RTD，將一個準確已知的低漂移檢測 電阻器串聯(lián)連接至該RTD。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵電流并進行比例式測量。RTD的電阻值以歐姆為單位，可根據(jù)這一比率確定。然后通過查表，用這個電阻值確定傳 感器元件的溫度。LTC2983自動產(chǎn)生激勵電流，同時測量檢測電阻器和RT D電壓，計算傳感器電阻，并以℃為單位報告結(jié)果。RT D可以在很寬的溫度范圍內(nèi)測量溫度，從低至200℃到高達850℃。LTC2983可數(shù)字化大多數(shù)類型的RTD(PT-10、PT-50、PT-100、 PT-200、PT-500、PT-1000和NI-120)，針對很多標準內(nèi)置了系數(shù)(美國、歐洲、日本和ITS-90標準)，并面向定制RTD提供用 戶設(shè)定的表數(shù)據(jù)。

RTD：重要的是什么?

典型PT100 RTD的電阻值在溫度每變化1/10℃時變化不到0.04Ω，在100μA電流激勵時對應(yīng)4μV信號電平。低ADC偏移和噪聲對于準確測量至關(guān)重要。測量相對于檢測電阻器而言是比例式的，不過在計算溫度時，激勵電流和基準電壓的絕對值不那么重要。

以 前，RTD和檢測電阻器之間的比例式測量是用單個ADC執(zhí)行的。檢測電阻器的壓降用作測量RTD壓降的ADC之基準輸入。這種架構(gòu)需要10 kΩ或更大的檢測電阻器，因此需要緩沖，以防止由ADC基準輸入動態(tài)電流導(dǎo)致的壓降。既然檢測電阻器的值至關(guān)重要，那么緩沖器就必須是低偏移、低漂移和低 噪聲的。這種架構(gòu)使電流源難以輪換，以消除寄生熱電偶效應(yīng)。增量累加ADC的基準輸入更易于受到噪聲而不是輸入的影響，而且低基準電壓值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定 性。LTC2983的多ADC架構(gòu)解決了所有這些問題(參見圖1)。LTC2983運用了兩個高度匹配、有緩沖和自動校準的ADC，一個用于RTD，另一 個用于檢測電阻器。這些ADC同時測量RTD和Rsense，計算RTD電阻，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)查一個基于ROM的表，最終以℃為單位輸出RTD溫度。

圖1：用LTC2983測量RTD溫度。

RTD 有很多種配置：2線、3線和4線。LTC2983以可配置的單一硬件解決方案提供所有3種配置。該器件可在多個RTD之間共享單一檢測電阻器。其高阻抗輸 入允許在RTD和ADC輸入之間接入外部保護電路，而不會引入誤差。該器件還可以自動輪換電流激勵，以消除外部熱誤差(寄生熱電偶)。在檢測電阻器的寄生 引線電阻降低性能的情況下，LTC2983允許用Rsense進行開爾文檢測。

LTC2983包括故 障檢測電路。該器件可以確定，檢測電阻器或RTD是否損壞或短路。如果所測溫度高于或低于RTD規(guī)定的最高或最低溫度，LTC2983就發(fā)出警告。當(dāng) RTD用作熱電偶的冷接點傳感器時，3個ADC同時測量熱電偶、檢測電阻器和RTD。RTD故障信息傳遞到熱電偶測量結(jié)果中，同時RTD溫度自動地用來補 償冷接點溫度。