如何设计高性能完全隔离式RTD温度测量系统电路？

2017-03-14 14:24分类：电路图阅读：

图4-47所示电路是只采用了三个有源器件的完全隔离式12位、300 ksps RTD温度测量系统。该系统可处理Ptl00 RTD输出，集成创新电路，通过标准三线制连接实现引线补偿。该电路采用3.3V单电源供电。室温校准后，在士io℃温度变化范围内的总误差不超过士0.24%FSR，是各种工业温度测量应用的理想之选。

对于精度、成本和尺寸极为关键的温度测量应用，该电路的小巧尺寸使得该组合成为业界领先的温度测量解决方案。数据和电源相互隔离，因而该电路具有出色的高电压耐受性，同时还能有效避免恶劣工业环境下常见的接地环路干扰问题。

电路描述

该电路的输入级是一个RTD信号调理电路，采用补偿三线制连接RTD。该电路将RTD输入电阻范围（100～212.05Q，0～300℃温度范围）转换至兼容ADC输入范围(0～2.5v)的电压电平。

RTD激励电流由运算放大器UIC，四通道AD8608的四分之一提供。lOOmV基准电压VR由2.5V ADC基准电压驱动的R8/R9分频器产生，进而生成VR/ (R1IIR2) RTD激励电流，数值约为1.05mA。

当温度变化范围为0～300度时，激励电流在RTD两端产生数值约为117.6mV (105～222.6mV)的电压变化。UIA运算放大器将该电压变化放大19.6倍，产生2.3V输出范围。

电阻R2与电阻R1并联，对输出范围进行电平转换，以便UIA运算放大器输出0.1～2.4V，从而匹配ADC的输入范围(0～2.5V)，同时提供lOOmV裕量以保持线性度性能。

可以通过修改电阻值，以适应后面部分所述的其他常用温度范围。

该电路设计支持单电源供电。AD8608的最小额定输出电压为50mV（2.7V电源）和290mV (5V电源)，负载电流为lOmA，温度范围为-40～+125℃。在3.3V电源、负载电流低于ImA、温度范围更窄的情况下，保守估计最小输出电压为45～60mV。

考虑到器件的容差，最小输出电压（范围下限）设为lOOmV，以提供安全裕量。输出范围的上限设为2.4V，以便为ADC输入端的正摆幅提供lOOmV的裕量。因此，运算放大器的标称输出电压范围为0.1～2.4V。

运算放大器UIB用来缓冲AD709IR (U3) ADC的内部2.5V基准电压。

该电路选用四通道运算放大器AD8608的原因是该器件具有低失调电压（最大值75t_tV>、低偏置电流（最大值1 pA）和低噪声（最大值12nV/√Hz）等特性，在3.3V电源下功耗仅为18.5mW。

UID运算放大器提供三线制校正信号，可补偿引线电阻rl和r2产生的误差。从点A到TPI的增益为+19.6，从点B到TP1的增益为-39.2。点A处的电压含有正误差项，数值等于rl和r2上的压降。

点B处的电压含有正误差项，数值等于r2上的压降，可忽略r，上的小数值压降。由于点B到TPI的增益为负且数值等于点A到TPI增益的两倍，因此ri和r2上的压降产生的误差抵消（假定rl：r2）。

运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(RlI/C9)，用于降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664kHz。在有低频工业噪声的情况下，额外的二阶滤波器（增加电容C10和C11）用于降低滤

波器截止频率。此时，AD709IR将不会工作在最大吞吐速率下。为了提升转换速度，请勿填充ClO和CII。

选择AD709IR12位1 Msps SAR ADC是因为其在3.3V (1.2mW)下的功耗超低，仅为349uA，显著低于当前市场上竞争对手的任何ADC。输入带宽为7.5MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R还内置一个2.5V的基准电压源，其典型漂移为士4.5xl0 6／℃。AD7091R采用小型10引脚MSOP封装。

采用3.3V电源供电时，该电路的总功耗（不包括ADuM5401隔离器）约为20mW。

电流隔离由四通道数字隔离器ADuM5401（C级）提供。除了隔离输出数据以外，ADuM5401还为该电路提供隔离+3.3V电源。除非需要隔离，否则电路正常运行时并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5kV隔离器集成DC/DC转换器，采用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7MHz时钟频率下的功耗约为140mW。

AD7091R需要50MHz的串行时钟(SCLK)，方能实现lMsps的采样速率。然而，ADuM5401（C级）隔离器的最大数据速率为25Mb/s，对应的最大串行时钟频率为12.5MHz。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因此ADuM5401的总双向传播延迟（最大值120ns）将时钟上限限制在1／120ns=8.3MHz。

尽管AD7091R是一款12位ADC，但串行数据同样被格式化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因此，采样周期T包括AD709IR 650 ns的转换时间加上58ns（数据手册要求的额外时间，tl延迟+tQUIFT延迟），再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

Ts=650ns+58ns+16x 120ns=2628ns

F=l/Ts=l/2628ns=380ksps

为了提供安全裕量，建议将SCLK和采样速率的最大值分别设为7MHz和300ksps。数字SPI接口可以用12引脚且兼容Pmod的连接器（Digilent Pmod规格）连接到微处理器评估板。

电路设计

图4-48所示电路可将100--212.05Q的RTD电阻变化转换为0.1～2.4V的输出电压变化，兼容ADC输入范围。此外，该电路还可消除与导线电阻r，和r2有关的误差。

图4-48中电路的传递函数可通过叠加原理得到：

满足等式(2)的条件便可消除引线电阻产生的误差，即rl-r2（r3未计算在内，冈为它连接UID的高阻抗输入）。将等式(2)代入等式(1)，获得传递函数：

等式(3)显示若满足等式(2)，则引线电阻完全得到补偿。

通过调节R4/R3的比例，可将增益设为所需的数值。

增益、输出失调、电阻值和容差的计算

若温度范围为0～300℃，则RTD Ptl00电阻范围为100～212.05Q，且图4-48中电路的输入电阻变化AR为0～112.05Q。因此，由等式(3)得到的电路增益为：

保证满足等式(2)的一种简便方法是使用关系式R5=2R3，R6，=R5IIR4，如图4-47所示。

若满足此条件，则0℃时R1 '=RO=IOOQ，且VOUT=OV。

现在，必须将电路的输出失调设为O.IV。使输出发生偏移的一种简单方法足让电阻R1，略为低于ROo注意，这样会成比例影响增益。O.IV输出失调约为2.3V总范围的4.35%，因此比例Rl '/RO必须低于0.95650若要保持高输出电平为2.4V，则比例R4/R3可按比例校正。例如，R4=0.9565×41.06×R3=39.27kQ。使用图4-47中的标准电阻值，则电路能够提供所需增益和输出失调的良好近似值。

通过将电阻R2=1.9lkQ与电阻Rl=100Q并联连接，可形成Rl'，

对_丁．任何其他温度范围，或任何其他温度传感器而言（比如Pt200、Pt500、Ptl000、Pt2000），电阻值必须如下所示重新计算。

①选择R3值（如R3=lkQ），然后使R5=R6=2R3。

②选择经过传感器的激励电流IR，然后计算

其中VRFF=2.5 V=ADC基准电压。

④计算A=0.0435×（Rh，gh-Rxlom）其中，A为用来完成计算过程所需的临时常数，RX_high为范围内最高温度时的RTD电阻。

⑤计算Ro=Rxlom-A。

⑥计算Ro=RI×R2/(R1+R2)，然后选择R1和R2值。建议选择标准R1值，使其等于Rxllom然后计算R2。

其中B为用来完成计算过程所需的临时常数。

⑧计算R4=BxR3，确保R12=R4。

精度分析

等式(1)表示所有电阻都会对总误差产生影响。如果仔细选择这些值，则可使用替代标准值电阻导致的总误差降至几个百分点以下。然而，应通过等式(l)来重新计算UIA运算放大器在IOOQ和212.05Q输入下的输出，以确保维持所需裕量。在实际电路中，选择最接近现有标准的电阻值。电阻Rl、R2、R8和R9为0.1%、25xl0-6/℃。电路中的其他电阻（R3、R4、R5、R6和R12）为1%、100X106/℃。

这类电路的绝对精度主要取决于电阻，因此需要进行增益和失调校准，以消除因替代标准值电阻和电阻容差导致的误差。

电阻温度系数对总误差的影响

公式(1)表明，输出电压与以下九个电阻相关：Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。TPl处的满量程输出电压对这九个电阻中每个阻值的微小变化敏感，其灵敏度通过仿真程序计算。电路的输入RTD电阻为212Q。计算得到的各灵敏度为SRl=1.83、SR2=0.09、SR3=0.94、SR4=0.94、SR5=1.35、SR6=1.28、SR8 =0.97、SR9=0.96SSR12=0.07。假设各温度系数以和方根(RSS)方式组合，则25ppm/℃电阻R1、R2、R8、R9以及100XI06/℃电阻R3、R4、R5、R6、R12的总满量程漂移约为：

236x106/℃的满量程漂移对应于0.024% FSR/℃。若温度发生土10℃变化，则误差为士0.24% FSR。

若全部九个电阻均采用25 X106/℃电阻，则可降低满量程漂移至大约80xl06/℃（或者0.008% FSR/℃）。

完成校准过程后，电阻容差导致的误差、AD8608运算放大器(75UV)以及ADC AD7091R产生的失调均被消除。依然有必要计算并验证运算放大器输出在所需的范围内。

有源元件温度系数对总误差的影响

AD8608运算放大器(75UV)和AD709IR ADC的直流失调由校准程序消除。

ADC AD709IR内置基准电压源的失调漂移典型值为4.5xl0 6／℃，最大值为25 X106/℃。

AD8608运算放大器的失调漂移典型值为1¨V／℃，最大值为4.5Uv／℃。

请注意，如果采用50X10’℃或IOOX10_6/℃电阻，则总漂移的最大来源是电阻漂移，有源元件产生的漂移可忽略。

引线电阻补偿

图4-47中的电路可针对引线电阻(r,、r2和r3)进行完全补偿。然而，若等式(3)有任何失配，则弓引线r＼和n会对测量产生误差。第三个引线r3不会对电路产生影响，因为它与UID的高阻抗输入相连。

电路的线性度不受引线r1和r2的影响，哪怕等式(3)有失配。

RTD线性化

图4-47中的电路就RTD的电阻变化而言是线性的。然而，RTD传递函数（电阻与温度的关系）是非线性的。因此需要进行线性化，以消除RTD的非线性误差。对于涉及微控制器的系统而言，通常采用软件来完成线性化。

两点校准前后的测试数据

为了执行两点校准，先向输入端施加100Q的精密电阻，并将ADC输出代码记为Code 1。然后，向输入端施加212.05 Q精密电阻，再将ADC输出代码记为Code 2。增益系数通过下式计算：

通过比较使用元件标称值计算得到的理想传递函数和未校准实际电路传递函数，可以得到校准前的误差。测试电路采用±l%、±100×106/℃电阻构建（Rl、R2、R8和R9除外，它们是土0.1%、土25xl0’℃电阻）。测试在室内环境温度下采用印制电路板(PCB)完成。

图4-49所示为温度不发生变化的情况下部分测试板校准前后的测试结果。如图所示，校准前的最大误差约为0.27%FSR，校准后误差降至±0.037% FSR，大致相当于ADC的1.5 LSB误差。

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。该系统的PCB采用简单的双层板堆叠而成，但采用4层板可以得到更好的EMS性能。

AD8608的电源应当用lOuF和O.luF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，O.luF电容应具有低ESR值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转换器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请注意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需要低ESR旁路电容，这些电容应尽可能靠近芯片焊盘。为了抑制噪声并降低纹波，至少需要并联两个电容。针对VDDI和Vlso，推荐的电容值是O.luF和lOuF。较小的电容必须具有低ESR，建议使用陶瓷电容。低ESR电容末端到输入电源引脚的走线总长不得超过2mm。如果旁路电容的走线长度超过2mm，町能会破坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间实现旁路，除非两个公共地引脚靠近封装连在一起。更多信息请参考ADuM5401数据手册。

高电压能力

这款PCB依据2500V基本绝缘规范而设计。不建议进行2500V以上的高电压测试。在高电压下使用该评估板时必须谨慎，而且不得依赖该PCB来实现安全功能，因为它未经过高电位测试（也称为高压测试或耐压绝缘测试），也未通过安全认证。

常见变化

经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。-，，在该配置中采用其他精密运算放大器和其他ADC，以将电阻偏差输入范围转换成数字输出，用于本电路的各种其他应用中。可依据电路设计部分的建议，针对0～300℃范围以外的输入温度重新设计隆4-47中的电路。

表4-4显示使用PtIOORTD传感器时部分标准温度范围的计算结果。

AD7091与AD709IR类似，但没有基准电压输出，而且输入范围等于电源电压。AD7091可与2.5V ADR391基准电压源配合使用。ADR391不需要缓冲。

ADR391是一款精密2.5V带隙基准电压源，具有低功耗、高精度（温度漂移为9xl0 6／℃）等特性，采用微型TSOT封装。

AD8605和AD8606分别是四通道AD8608的单通道和双通道版本，丌J．按不同配置的需要代替AD8608使用。

．AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

AD7457是一款12位、100 ksps、低功耗SAR ADC．在不需要300 ksps吞吐速率的情况F，町以与ADR391基准电压源相配合，用于代替AD7091R。

电路评估与测试

本电路采用EVAL-CN0337-PMDZ电路板、SDP-PMD-IBIZ和EVAL-SDP-CBlZ系统演示平台(SDP)评估板。转接板SDP-PMD-IBIZ和SDP板EVAL-SDP-CBIZ采用120引脚对接连接器。转接板EVAL-CN0337_PMDZ板采用12引脚Pmod对接连接器，可快速进行设置和评估电路性能。EVAL-CN0337-PMDZ板包含待评估电路，如本问答前面所述。SDP评估板与CN0337评估软件…起使用，

可从EVAL-CN0337-PMDZ电路板获取数据。

设备要求

·带USB端口的Windows~ XP、Windows Vista@（32位）或Windowsw 7/8（64位或32位）PC

' EVAL-CN0337_PMDZ电路评估板

’EVAL-SDP-CBlZ SDP评估板

·SDP-PMD-IBlZ转接板

·CN0337评估软件

·十倍频程精密电阻箱或Ptl00传感器（若无电阻箱，可执行校准过程）

开始使用

将CN0337评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。也可以从CN0337评估软件中F载最新版的评估软件。打开“My Computer”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开setup.exe文件。按照屏幕提示完成安装。建议将所有软件安装在默认位置。

功能框图

图4-50为测试设置的功能框图。