单电源、完全隔离式RTD温度测量系统

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评估和设计支持


电路评估板

CN0337电路评估板(EVAL-CN0337-PMDZ)

SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z)


系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)


设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单


电路功能与优势


图1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Pt100 RTD输出，集成创新电路，通过标准三线式连接实现引线补偿。该电路采用3.3 V单电源供电。室温校准后，在±10°C温度变化范围内的总误差不超过±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。




这款实现三线式RTD引线补偿的创新电路，由保加利亚瓦尔纳技术大学电子工程和微电子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程师和博士生Stanimir Krasimirov Stankov开发。

电路描述


该电路的输入级是一个RTD信号调理电路，采用补偿三线式连接RTD。该电路将RTD输入电阻范围(100 Ω至212.05 Ω，0°C至300°C温度范围)转换至兼容ADC输入范围(0 V至2.5 V)的电压电平。


RTD激励电流由运算放大器U1C，四通道AD8608的四分之一提供。100 mV基准电压V[size=5.5385pt]R由2.5 V ADC基准电压驱动的R8/R9分频器产生，进而生成V[size=5.5385pt]R/(R1||R2) RTD激励电流，数值约为1.05 mA。


当温度变化范围为0°C至300°C时，激励电流在RTD两端产生数值约为117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的电压变化。U1A运算放大器将该电压变化放大19.6倍，产生2.3 V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U1A运算放大器输出0.1 V至2.4 V，从而匹配ADC的输入范围(0 V至2.5 V)，同时提供100 mV裕量以保持线性度性能。可以修改电阻值，以适应本电路笔记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50 mV(2.7 V电源)和290 mV(5 V电源)，负载电流为10 mA，温度范围为−40°C至+125°C。在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度范围更窄的情况下，保守估计最小输出电压为45 mV至60 mV。


考虑到器件的容差，最小输出电压(范围下限)设为100 mV，以提供安全裕量。输出范围的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅提供100 mV的裕量。因此，运算放大器的标称输出电压范围为0.1 V至2.4 V。
运算放大器U1B用来缓冲AD7091R (U3) ADC的内部2.5 V基准电压。


本应用中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75 µV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3 V电源下，功耗仅为18.5 mW。


U1D运算放大器提供三线式校正信号，可补偿引线电阻r1和r[size=5.5385pt]2产生的误差。从点A到TP1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r[size=5.5385pt]1和r[size=5.5385pt]2上的压降。点B处的电压含有正误差项，数值等于r[size=5.5385pt]2上的压降，可忽略r[size=5.5385pt]3上的小数值压降。由于点B到TP1的增益为负且数值等于点A到TP1增益的两倍，因此r1和r2上的压降产生的误差抵(假定r[size=5.5385pt]1= r[size=5.5385pt]2)。

运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R11/C9)，用于降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz。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，AD7091R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C10和C11。


选择AD7091R12位1 MSPS SAR ADC是因为其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，仅为349 μA，显著低于当前市场上竞争对手的任何ADC。输入带宽为7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R还内置一个2.5 V的基准电压源，其典型漂移为±4.5 ppm/oC。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20 mW。


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+3.3 V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2.5 kV隔离器集成DC/DC转换器，采用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。


AD7091R需要50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能实现1 MSPS的采样速率。然而，ADuM5401(C级)隔离器的最大数据速率为25 Mbps，对应的最大串行时钟频率为12.5 MHz。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120 ns)将时钟上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。


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TS包括AD7091R 650 ns的转换时间加上58 ns(数据手册要求的额外时间，t[size=5.5385pt]1延迟 + t[size=5.5385pt]QUIET延迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

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7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口可以用12引脚且兼容Pmod的连接器(DigilentPmod规格)连接到微处理器评估板。