优化 RTD 温度传感系统：设计

在关于电阻温度检测器 (RTD) 传感系统优化的第二篇文章中，我们探讨了 RTD 系统优化、外部组件的选择以及如何评估最终的 RTD 系统。

在这个由三部分组成的 RTD 系列的第一篇文章中，我们介绍了温度测量挑战、RTD 类型、不同配置和 RTD 配置电路。在第二篇文章中，我们概述了三种不同的 RTD 配置：2 线、3 线和 4 线。在本系列的最后一篇文章中，我们将探讨 RTD 系统优化、外部组件的选择以及如何评估最终的 RTD 系统。

RTD 系统优化

从系统设计人员的问题来看，设计和优化 RTD 应用解决方案涉及不同的挑战。挑战之一是前几节中讨论的传感器选择和连接图。挑战二是测量配置，包括 ADC 配置、设置激励电流、设置增益和选择外部组件，同时确保系统优化和在 ADC 规范内运行。最后，最关键的问题是如何实现目标性能以及导致整体系统误差的误差源是什么。

幸运的是，有一个新的 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它提供了从概念到原型设计和优化 RTD 测量系统的实践解决方案。

工具：

• 有助于理解正确的配置、接线和电路图
• 帮助理解不同的错误来源并允许设计优化

该工具围绕 AD7124-4/AD7124-8 设计。它允许客户调整激励电流、增益和外部组件等设置（图 1）。指示越界条件，以确保最终解决方案在 ADC 的规格范围内。

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图 1. RTD 配置器。 （来源：Analog Devices）

激励电流、增益和外部元件的选择

理想情况下，我们倾向于选择更高幅度的激励电流以产生更高的输出电压并最大化 ADC 输入范围。但是，由于传感器是电阻性的，设计人员还必须确保大值激励电流的功耗或自热效应不会影响测量结果。系统设计者可以选择高激励电流。然而，为了最大限度地减少自热，需要在两次测量之间关闭激励电流。设计人员需要考虑对系统的时序影响。另一种方法是选择一个较低的激励电流，以最大限度地减少自热。现在时序已最小化，但设计人员需要确定系统性能是否受到影响。所有场景都可以通过 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 进行测试。该工具允许用户平衡激励电流、增益和外部组件的选择，以确保在调整 ADC 增益和速度的同时优化模拟输入电压，以提供更好的分辨率和更好的系统性能，这意味着更低的噪声和较低的偏移误差。

要了解生成的过滤器配置文件或更深入地了解转化时间，VirtualEval 在线工具提供了此详细信息。

Σ-Δ ADC 的 ADC 输入和参考输入均由开关电容器前端连续采样。对于所讨论的 RTD 系统，参考输入也由外部参考电阻驱动。建议在 Sigma-Delta ADC 的模拟输入端使用外部 RC 滤波器以实现抗混叠。出于 EMC 目的，系统设计人员可能会在模拟输入和参考输入上使用较大的 R 和 C 值。较大的 RC 值会导致测量中的增益误差，因为前端电路没有足够的时间在采样瞬间之间建立。缓冲模拟和参考输入可防止这些增益误差并允许使用无限的 R 和 C 值。

对于 AD7124-4/AD7124-8，当使用大于 1 的内部增益时，模拟输入缓冲器自动启用，并且由于 PGA 位于输入缓冲器前面，因为 PGA 是轨到轨，模拟输入也是铁路到铁路。但是，对于参考缓冲器或在启用模拟输入缓冲器的情况下以 1 增益使用 ADC 时，必须确保满足正确操作所需的裕量。

来自 Pt100s 的信号是低电平。它们的数量级为数百 mV。为获得最佳性能，可以使用具有宽动态范围的 ADC。或者，可以使用增益级在信号应用于 ADC 之前放大信号。 AD7124-4/AD7124-8 支持 1 至 128 的增益，因此可以针对宽范围的激励电流进行优化设计。 PGA 增益的多个允许选项允许设计人员在激励电流值与增益、外部组件和性能之间进行权衡。 RTD 配置器工具指示新的励磁电流值是否可用于选定的 RTD 传感器。还建议了精密参考电阻器和参考裕量电阻器的合适值。请注意，该工具可确保在规格范围内使用 ADC——它显示了支持配置的可能增益。 AD7124 激励电流具有输出顺从性；也就是说，提供激励电流的引脚上的电压需要 AVDD 的一些裕量。该工具还将确保满足此合规性规范。

RTD 工具允许系统设计人员保证系统在 ADC 和 RTD 传感器的工作范围内。参考电阻等外部元件的精度及其对系统误差的贡献将在后面讨论。

过滤选项（模拟和数字 50 Hz/60 Hz 抑制）

如前所述，建议在 Sigma-Delta 转换器中使用抗混叠滤波器。由于嵌入式滤波器是数字滤波器，频率响应反映在采样频率附近。需要抗混叠滤波以充分衰减调制器频率和该频率的任何倍数处的任何干扰。由于 sigma-delta 转换器对模拟输入进行过采样，因此大大简化了抗混叠滤波器的设计，只需要一个简单的单极 RC 滤波器即可。

当最终系统在现场使用时，处理来自系统运行环境的噪声或干扰可能非常具有挑战性，尤其是在工业自动化、仪器仪表、过程控制或电源控制等应用空间中噪音，同时不会对您的相邻组件产生噪音是必需的。噪声、瞬变或其他干扰源会影响系统精度和分辨率。当系统由主电源供电时，也会发生干扰。主电源频率在欧洲产生为 50 Hz 及其倍数，在美国为 60 Hz 及其倍数。因此，在设计 RTD 系统时，必须考虑具有 50 Hz/60 Hz 抑制的滤波电路。许多系统设计人员希望设计一个同时抑制 50 Hz 和 60 Hz 的通用系统。

大多数较低带宽的 ADC，包括 AD7124-4/AD7124-8，都提供各种数字滤波选项，可以通过编程将陷波设置为 50 Hz/60 Hz。选择的滤波器选项会影响输出数据速率、稳定时间以及 50 Hz 和 60 Hz 抑制。当多通道使能时，每次通道切换时都需要一个建立时间来产生一次转换；因此，选择具有较长建立时间的滤波器类型（即 sinc4 或 sinc3）会降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或 FIR 滤波器有助于在较低的稳定时间下提供合理的 50 Hz/60 Hz 同步抑制，从而提高吞吐率。

电源考虑

系统的电流消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用。 AD7124-4/AD7124-8 包含三种功耗模式，可在性能、速度和功耗之间进行权衡。对于任何便携式或远程应用，必须使用低功率组件和配置，而对于某些工业自动化应用，整个系统由 4 mA 至 20 mA 回路供电，因此只允许最大 4 mA 的电流预算。对于这种类型的应用，可以在中等或低功耗模式下对器件进行编程。速度要低得多，但 ADC 仍然提供高性能。如果应用是由主电源供电的过程控制应用，则允许更高的电流消耗，因此可以在全功率模式下对设备进行编程，并且该系统可以实现更高的输出数据速率和更高的性能。

误差源和校准选项

了解所需的系统配置后，下一步是估计与 ADC 相关的误差和系统误差。这些有助于系统设计人员了解前端和 ADC 配置是否满足整体目标精度和性能。 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 允许用户修改系统配置以获得最佳性能。例如，图 2 显示了所有错误的摘要。系统误差饼图表明，外部参考电阻的初始精度及其温度系数是导致整体系统误差的主要误差因素。因此，重要的是考虑使用具有更高精度和更好温度系数的外部参考电阻。

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图 2. RTD 误差源计算器。 （来源：Analog Devices）

由 ADC 引起的误差并不是整个系统误差的最重要的误差因素。然而，使用 AD7124-4/AD7124-8 的内部校准模式可以进一步降低 ADC 的误差贡献。建议在上电或软件初始化时进行内部校准，以消除 ADC 增益和失调误差。请注意，这些校准不会消除由外部电路产生的错误。然而，ADC 也可以支持系统校准，从而可以最小化系统偏移和增益误差，但这可能会增加额外的成本，而且大多数应用可能不需要。

故障检测

对于任何恶劣的环境或优先考虑安全的应用，诊断正在成为行业要求的一部分。 AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式诊断功能减少了对外部组件实施诊断的需求，从而形成更小、更简单的时间和成本节约解决方案。

诊断包括：

• 检查模拟引脚上的电压电平以确保其在指定的工作范围内
• 串行外设接口 (SPI) 总线上的循环冗余校验 (CRC)
• 内存映射上的 CRC
• 信号链检查

这些诊断导致了更强大的解决方案。根据 IEC 61508，典型 3 线 RTD 应用的故障模式、影响和诊断分析 (FMEDA) 显示安全故障率 (SFF) 大于 90%。

RTD 系统评估

图 3 显示了电路笔记 CN-0383 中的一些测量数据。该测量数据是使用 AD7124-4/AD7124-8 评估板捕获的，评估板包括 2 线、3 线和 4 线 RTD 的演示模式，并计算出相应的摄氏度值。结果表明，2 线 RTD 实现的误差更接近误差边界的下限，而 3 线或 4 线 RTD 实现的总体误差完全在允许的范围内。 2 线测量中较高的误差是由于前面描述的引线电阻误差造成的。

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图 3. 25 SPS 低功耗模式下的 2 线/3 线/4 线 RTD 温度精度测量后置滤波器。 （来源：Analog Devices）

这些示例表明，当与 ADI 的低带宽 Sigma-Delta ADC（例如 AD7124-4/AD7124-8）结合使用时，遵循上述 RTD 指南将实现高精度、高性能设计。电路笔记 (CN-0383) 也可作为参考设计，帮助系统设计人员快速进行原型设计。评估板允许用户评估系统性能，其中可以使用每个示例配置演示模式。展望未来，可以使用 AD7124-4/AD7124-8 产品页面上提供的 ADI 生成的示例代码轻松开发用于不同 RTD 配置的固件。

ADC 采用 Sigma-Delta 架构，例如 AD7124-4/AD7124-8，适用于 RTD 测量应用，因为它们解决了诸如 50 Hz/60 Hz 抑制以及宽共模范围等问题。模拟和可能的参考输入。它们还高度集成，包含 RTD 系统设计所需的所有功能。此外，它们还提供增强功能，例如校准功能和嵌入式诊断。这种集成水平以及完整的系统附属品或生态系统将简化从概念到原型制作的整体系统设计、成本和设计周期。

为了简化系统设计人员的工作，RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具以及在线工具 VirtualEval、评估板硬件和软件以及 CN-0383 可用于解决不同的挑战，例如连接问题和整体错误预算，并带来使用户更上一层楼。

结论

本文展示了设计 RTD 温度测量系统是一个具有挑战性的多步骤过程。它需要在不同的传感器配置、ADC 选择和优化以及这些决策如何影响整体系统性能方面做出选择。 ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具以及在线工具 VirtualEval、评估板硬件和软件以及 CN-0383 通过解决连接性和整体错误预算问题来简化流程。

相关内容：

• 优化 RTD 温度传感系统：挑战（本系列的第 1 部分）
• 优化 RTD 温度传感系统：接线配置（本系列第 2 部分）
• 在高精度多传感器系统中使用 Δ-Σ ADC
• 使用硅温度传感器进行精确测量
• 与现代传感器接口：使用 C++ 进行接口设计
• 应对高温数据采集和处理平台的开发

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