作者：Alex Buda and Barry Zhang

許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將Σ-Δ型ADC與RTD（電阻溫度檢測(cè)器）結(jié)合使用進(jìn)行溫度測(cè)量，但難以實(shí)現(xiàn)所用ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的高性能。例如，一些設(shè)計(jì)人員可能只能從16位至18位ADC獲得12至13個(gè)無(wú)噪聲位。本文介紹的前端技術(shù)將使設(shè)計(jì)人員能夠在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)16+無(wú)噪聲位。

在比率測(cè)量中使用RTD的優(yōu)勢(shì)在于它消除了誤差源，例如激勵(lì)電流源的精度和漂移。下面是4線RTD比率測(cè)量電路的典型電路。4線配置的優(yōu)點(diǎn)是可以消除引線電阻引起的誤差。

圖1.4線RTD比率測(cè)量電路。

從上面的電路中，我們可以推導(dǎo)出以下兩個(gè)方程：

當(dāng)ADC在雙極性差分模式下工作時(shí)，用于計(jì)算RTD電阻（RRTD）的一般表達(dá)式由下式給出：

其中：

代碼即熱處理 是 ADC 代碼。

法典ADC_Fullscale是 ADC 滿量程代碼。

RTD的測(cè)量電阻值理論上僅與基準(zhǔn)電阻的精度和漂移有關(guān)。通常 R裁判是一款精度為 0.1% 的精確、低漂移電阻器。

當(dāng)工程師使用這種類型的電路設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，他們將在模擬輸入之前添加一些電阻和電容，用于低通濾波的外部基準(zhǔn)引腳以及過(guò)壓保護(hù)，如圖2所示。在本文中，我們將展示選擇合適的電阻器和電容器以獲得更好的噪聲性能時(shí)應(yīng)考慮的事項(xiàng)。

圖2.典型的4線RTD比率測(cè)量電路。

從圖 2 中我們可以看到 R1， R2， C1， C2和 C3用作一階低通RC濾波器，為差分和共模電壓信號(hào)提供衰減。R 的值1和 R2對(duì)于 C 的值應(yīng)該相同且相似1和 C2.同樣，R3， R4， C4， C5和 C6用作參考路徑的低通濾波器。

共模低通RC濾波器

圖3所示為共模、低通濾波器等效電路。

圖3.共模低通濾波器。

由于 A 點(diǎn)的共模電壓等于 b 點(diǎn)的電壓，因此沒(méi)有電流流過(guò) C3.因此，共模截止頻率可以表示為

差模低通RC濾波器

為了更好地理解差分信號(hào)的低通RC濾波器截止頻率，C3圖4中的電容可以認(rèn)為是兩個(gè)獨(dú)立的電容C。一個(gè)和 Cb在圖 5 中。

圖4.差模低通濾波器。

圖5.差模低通濾波器等效電路。

從圖5可以看出，差模截止頻率為：

通常 C 的值3比 C 的值大 10×厘米.這樣做的目的是減少由 C 的不匹配引入的影響1和 C2.例如，ADI公司電路筆記CN-0381中使用的模擬前端設(shè)計(jì)如圖6所示，差分信號(hào)的截止頻率約為800 Hz，共模信號(hào)的截止頻率為16 kHz。

圖6.使用AD7124進(jìn)行RTD測(cè)量的模擬輸入配置

電阻和電容注意事項(xiàng)

除了作為低通濾波器的一部分外，R1和 R2還可以提供過(guò)壓保護(hù)。如果在AD7124-4 A之前使用3 kΩ電阻在圖6中的引腳可以防止高達(dá)30 V的接線錯(cuò)誤。不建議在 A 之前使用較大的電阻器在引腳有以下兩個(gè)原因。首先，它們會(huì)產(chǎn)生更多的熱噪聲。其次，A在引腳的輸入電流將流過(guò)這些電阻并引入誤差。這些輸入電流沒(méi)有恒定值，當(dāng)它們與它們之間的不匹配相結(jié)合時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲會(huì)隨著電阻的大小而增加。

電阻和電容值在決定最終電路的性能方面起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)人員需要了解其現(xiàn)場(chǎng)要求，并根據(jù)上述公式計(jì)算電阻和電容值。對(duì)于集成激勵(lì)電流源的ADI Σ-Δ型ADC器件和精密模擬微控制器，建議在A之前使用相同的電阻和電容值在和參考引腳。這種設(shè)計(jì)可確保模擬輸入電壓與基準(zhǔn)電壓保持成比例，并且由于激勵(lì)電流的溫度漂移和噪聲引起的模擬輸入電壓中的任何誤差都可以通過(guò)基準(zhǔn)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

采用比率式測(cè)量的ADuCM360的噪聲性能

ADuCM360是一款完全集成的3.9 kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成了雙通道、多通道Σ-Δ型ADC、32位ARM Cortex-M3處理器和閃存/EE存儲(chǔ)器。它還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程激勵(lì)電流源、靈活的多路復(fù)用器和許多其他功能。它允許直接連接電阻式溫度傳感器。??

使用ADuCM360進(jìn)行RTD測(cè)量時(shí)，REF–引腳通常接地，因此4和 C5圖2中的可以移除，因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)它們。C4和 C6是并行的，因此可以將這兩者加在一起。但是，因?yàn)镃4比 C 小得多6，可以忽略它。這導(dǎo)致簡(jiǎn)化的模擬前端電路，如圖7所示。

圖7.ADuCM360模擬前端電路，用于RTD測(cè)量。

表1顯示了模擬和基準(zhǔn)輸入路徑前面的匹配和不匹配濾波器的噪聲電平。使用100 Ω精密電阻代替R即熱處理測(cè)量ADC輸入引腳上的噪聲電壓。R 的值裁判為 5.62 kΩ。

表 1.噪聲測(cè)試結(jié)果

從表1中我們可以看到，使用匹配的模擬前端電路，其中R的值為R1和 R2與 R 相同3，與不匹配電路相比，噪聲降低了約0.1 μV至0.3 μV，這意味著ADC無(wú)噪聲位數(shù)增加約0.25位至16.2位，ADC PGA增益為16。

結(jié)論

使用匹配的RC濾波電路，并根據(jù)本文介紹的考慮因素根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求選擇合適的電阻和電容值，比率測(cè)量應(yīng)用中的RTD可以獲得最佳結(jié)果。

審核編輯：郭婷