RTD比例测量的模拟前端设计考虑因素

许多系统设计人员将Sigma-Delta ADC与RTD(电阻温度检测器)一起用于温度测量,但难以实现他们所使用的ADC数据表所规定的高性能。例如,一些设计人员可能只能从16-18位ADC获得12-13个无噪声位。本文介绍的前端技术将使设计人员能够在系统设计中实现16个以上的无噪声位。

在比率测量中使用RTD的优点在于它消除了诸如激励电流源的精度和漂移之类的误差源。以下是4线RTD比率测量电路的典型电路。4线配置的优点是可以消除由引线电阻引起的误差。


 

图1:四线RTD比率测量电路


从上面的电路中,我们可以推导出以下两个方程:

                                                                                                                                                                                                             

用于计算ADC在双极性差分模式下工作时的RTD电阻(RTD)的一般表达式由下式给出:



哪里:
代码RTD是ADC代码。

代码ADC_Fullscale是ADC满量程代码。

RTD的测量电阻值理论上仅与参考电阻的精度和漂移有关。通常,Ref   是精确的低漂移电阻,精度为0.1%。

当工程师使用这种类型的电路设计他们的产品时,他们会在模拟输入之前添加一些电阻和电容,用于低通滤波的外部参考引脚和过压保护,如图2所示。在本文中,我们将展示什么在选择合适的电阻器和电容器时应考虑到更好的噪声性能。



图2:典型的4线RTD比率测量电路

从图2可以看出,1,  2123   用作一阶低通RC滤波器,为差模和共模电压信号提供衰减。12的值应该相同,并且类似于1  和2的值。类似地,34456用作参考路径的低通滤波器。
共模低通RC滤波器


图3显示了共模低通滤波器等效电路。



图3:共模低通滤波器

由于a点的共模电压等于b点的电压,因此没有电流流过3,因此共模截止频率可表示为




差模低通RC滤波器

为了更好地理解差分信号的低通RC滤波器截止频率,图4中的电容可以被认为是两个独立的电容,如图5所示。



图4:差模低通滤波器





图5:差模低通滤波器等效电路

从图5中可以看出,差模截止频率为:

 


通常,3的值比CM的值大10倍。其目的是减少由12的不匹配引起的影响。例如,如图6所示ADI电路笔记CN0381中使用的模拟前端设计,差分信号的截止频率约为800 Hz,共模信号的截止频率为16 kHz
CN0381
 如图6所示,差分信号的截止频率约为800 Hz,共模信号的截止频率为16 kHz




图6:使用AD7124进行RTD测量的模拟输入配置
 考虑电阻器和电容器

除了作为低通滤波器的一部分,12还可以提供过压保护。如果在图6中的AD7124-4 A IN引脚之前使用3kΩ电阻,则可以防止高达30 V的错误接线。由于以下两个原因,不建议在A IN引脚之前使用更大的电阻。首先,它们会产生更多的热噪声。其次,A IN引脚将具有输入电流,这些电流将流过这些电阻并引入误差。这些输入电流不具有恒定值,当与它们之间的不匹配相结合时,它们将产生噪声,该噪声将随着电阻器的尺寸而增加。
AD7124
-4 A.

电阻和电容值对确定最终电路的性能起着至关重要的作用。设计人员需要了解其现场要求,并根据上述公式计算电阻和电容值。对于带有集成激励电流源的ADI sigma-delta ADC器件和精密模拟微控制器,建议在A IN和参考引脚之前使用相同的电阻和电容值。这种设计可确保模拟输入电压与参考电压保持比例,并且由于温度漂移和激励电流噪声引起的模拟输入电压的任何误差都可通过参考电压的变化得到补偿。
ADuCM360上的测量噪声性能,带有比率测量

ADuCM360是一款完全集成的3.9 kSPS,24位数据采集系统,在单芯片上集成了双通道高性能多通道Σ-ΔADC,32位ARM Cortex™-M3处理器和Flash / EE存储器。它还集成了可编程增益仪表放大器,精密带隙基准,可编程激励电流源,灵活的多路复用器以及许多其他功能。它允许与电阻温度传感器直接接口。

当使用ADuCM360进行RTD测量时,REF-引脚通常接地,因此图2中的45可以被移除,因为没有电流流过它们。46平行,因此这两者可以加在一起,但是因为4远小于6,所以可以忽略它们。这导致简化的模拟前端电路如图7所示。



图7:用于RTD测量的ADuCM360模拟前端电路

表1显示了模拟和参考输入路径前面匹配和不匹配滤波器的噪声水平。使用100Ω精密电阻代替RTD,以测量ADC输入引脚上的噪声电压。的值  [R    是5.62千欧。

表1噪声测试结果

 

从表1可以看出,使用匹配的模拟前端电路,其中1   和  2的值  与3相同,与不匹配的电路相比,噪声降低了大约0.1uV~0.3uV,这意味着当ADC PGA增益为16时,ADC无噪声位数增加约0.25位至16.2位。

结论

根据本文介绍的考虑因素,使用匹配的RC滤波器电路并根据现场要求选择合适的电阻和电容值,比率测量应用中的RTD可以获得最佳结果。

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