CN0287: 具有0.5°C精度的隔离式4通道热电偶/RTD温度测量系统

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概览

电路笔记PDF, 06/2014 (pdf, 579 kB)
下载英文版PDF, 08/2013 (pdf,  696kB)
优势和特点
  • 4 通道热电偶/RTD 测量
  • 完全隔离
  • 输入保护
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 温度控制器
  • 电子测试和测量
  • 高温产品
  • 航空电子
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This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的隔离式4通道温度测量电路,针 对性能、输入灵活性、稳定性以及低成本而优化。它支持 所有类型的热电偶(带冷结补偿),以及电阻高达4 kΩ 的任意 类型RTD(电阻温度检测器,双线式、三线式或四线式连接 配置)。

RTD激励电流可针对最佳噪声和线性度性能编程。

RTD测量精度达到0.1°C(典型值),K类热电偶测量精度达 0.05°C(典型值),这是因为将16位数字温度传感器ADT7310用于冷结补偿。该电路采用4通道、24位、∑-△型ADCAD7193,该器件片内集成PGA,具有高精度和低噪声特性。

由低漏电瞬变电压抑制器(TVS)和肖特基二极管提供输入 瞬变和过压保护。SPI兼容型数字输入和输出均隔离(2500 V rms),且电路采用全隔离式电源供电。

图1. 4通道热电偶和RTD电路(原理示意图: 未显示所有连接和去耦)

电路描述

温度测量简介
热电偶和RTD(电阻温度检测器)是最常用的传感器,用于 工业应用中的温度测量。热电偶可测量极高的温度,最高 可达+2300°C左右,并且响应时间快(瞬间完成测量)。RTD 比热电偶具有更高的精度和稳定性,且连接远端RTD的长 导线(数百米)电阻可采用三线式或四线式连接加以补偿。

热电偶由一端相连的两根不同金属线组成。将相连的一端 放置在需要进行温度测量的地方,称为测量结点。另一端 连接精密电压测量单元,该连接称为参考结点,或者称为 冷结。测量结点和冷结之间的温差产生电压(称为塞贝克效 应电压),数值与两个结点之间的温度差有关,该温差产生的 信号通常为数微伏至数十毫伏不等,具体取决于温度差值。

例如,K类热电偶可测量−200°C至+1350°C,输出范围约− 10 mV至+60 mV。对于信号链而言,重要的是尽可能保持 较高的阻抗和较低的漏电流,以便测得的电压具有最高的 精度。若要将该电压转换为绝对温度,则必须精确知道冷 结温度。一般而言,1°C至2°C便已足够,虽然由于冷结温 度测量误差会直接增加绝对温度误差,但较高的冷结温度 测量精度是有好处的。

RTD由纯净材料(如铂、镍或铜)制成,随温度变化而改变的 电阻值可预测。最常见的RTD材料是铂(Pt100和Pt1000)。

精确测定电阻的一种方法是测量恒定电流源产生的RTD电 压。将测量值折合为参考电阻两端的电压(由同一个电流驱 动),即可消除电流源中的误差(如比例测量)。最大程度降 低电流路径上的漏电流对于获得高精度而言很重要,因为 为了防止自发热,激励电流通常仅数百微安。

对于工业现场应用而言,高性能以及针对高压瞬变事件和 直流过压条件提供保护都是重要的设计考虑因素。

本电路工作原理
图1所示电路设计用于工业现场环境中的精密温度测量应 用,针对灵活性、性能、稳定性和成本进行了优化。本电 路采用低噪声、24位∑-△型ADC AD7193,确保整个电路具 有高分辨率和线性度。

33位数字电位计AD5201、运算放大器AD8603和单通道开 关ADG702构成简单可编程电流源和偏置电压缓冲器,用 于RTD和热电偶测量。ADG738可将电流源路由至活动 RTD通道,允许针对三线式RTD配置进行导线电阻补偿。

数字SPI温度传感器ADT7310在−40°C至+105°C温度范围内 具有±0.8°C最大精度(采用+5 V电源),用于热电偶测量中的 冷结补偿。ADR3440是一款低噪声、高精度、4.096 V基准 电压源,连接AD7193的REFIN1(+)/REFIN1(−),用于热电 偶测量。

模数转换器
AD7193是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前 端。它集成一个低噪声、24位∑-△型模数转换器(ADC)。该 ADC具有高分辨率、低非线性度和低噪声性能,以及极高 的50 Hz/60 Hz抑制能力。数据输出速率可在4.7 Hz(24位有 效分辨率,Gain = 1)到4.8 kHz(18.6位有效分辨率,Gain = 1) 范围内变化。片上低噪声PGA可将来自热电偶或RTD的差 分小信号以增益1至128放大,从而允许实现直接接口。增 益级缓冲器具有高输入阻抗,并将输入漏电流限制为± 3 nA (最大值)。AD7193的增益必须根据温度范围和传感器类型 进行适当配置。片内多路复用器允许四个差分输入通道共 享同一个ADC内核,节省空间与成本。

用于RTD的可编程电流源以及用于热电偶的偏置电压生 成电路
RTD测量要求使用低噪声电流源,以便驱动RTD和参考电 阻。而另一方面,热电偶需要使用共模偏置电压,可将较 小的热电偶电压转换至AD7193的输入范围内。图2所示电 路同时满足这两个要求,并采用了低噪声CMOS轨到轨输 入/输出运算放大器AD8603,该器件的最大输入偏置电流 仅1 pA且最大失调电压为50μV;同时,还配合使用了单通道CMOS低压2Ω单刀单掷(SPST)开关ADG702,以及8通道 矩阵开关ADG738。

图2. 外部可编程电流源和偏置电压发生器

开启ADG738并关断ADG702,则AD8603可用作热电偶应 用中的低噪声、低输出阻抗单位增益缓冲器。将来自 AD5201数字电位计的电压进行缓冲,然后用于热电偶共模 电压,通常为电源电压的一半,即2.5 V。33位数字电位计 AD5201采用低漂移(5 ppm/°C) 4.096 V基准电压源ADR3440 驱动,以获得所需精度。

开启ADG738并关断ADG702,则AD8603产生RTD激励电 流,即IEXC = VW/RREF

温度测量是一种高精度、低速度的应用,因此有足够的建 立时间可在全部4个通道间切换单个电流源,提供出色的 通道间匹配性能、低成本以及较小的PCB尺寸面积。

ADG738是一款8:1多路复用器,可在通道间切换电流源。 为了支持双线式、三线式和四线式RTD配置,这四个通道 中的每一个都需要两个开关。

在很多应用中,RTD都有可能放置在远离测量电路的地 方。长引线电阻可能会产生较大的误差,尤其用于低电阻 RTD时。为了最大程度减少引线电阻效应,支持三线式 RTD配置,如图3所示。

图3. 三线式RTD传感器的连接器和跳线配置

关断ADG738的S1,同时打开S2,则AD7193输入端的电压 为 V1。打开S1,同时关断S2,则AD7193输入端电压为 V2。 RTD传感器两端的电压为VRTD,而电流源的激励电流为IEXC。V1 和 V2包括引线电阻产生的误差,如下所示:

equation

假定 RW1 = RW2 = RW3,然后结合等式1、等式2和等式3,可得:

equation

等式5表示三线式配置需要分别进行两次测量 (V1 和V2) 才能 计算RRTD,因此输出数据速率有所下降。在很多应用中, 这并不是个问题。

四线式RTD连接要求具有两个额外的检测线路,但对导线 电阻不敏感,且仅需进行一次测量。

图4总结了双线式、三线式和四线式RTD和热电偶应用的 连接器配置和跳线位置。

图4. EVAL-CN0287-SDPZ板的连接器配置和跳线位置

保护电路
在制造过程中和现场使用时,都有可能产生瞬变和过压条 件。为了获得较高的保护水平,有必要使用外部保护电 路,补充IC的内部集成保护电路。外部保护功能会增加额 外的电容、电阻和漏电流。这些效应应当仔细考虑,以获 得高精度水平。额外保护电路如图5所示。

图5. 瞬变和过压保护电路

漏电流会对RTD测量造成巨大影响,应仔细考虑。当较长 的热电偶引线具有极高电阻时,漏电流也会对热电偶测量 产生一些误差。

本电路中,PTVS30VP1UP瞬变电压抑制器(TVS)可快速箝 位任何瞬变电压至30 V(25°C时典型漏电流仅1 nA)。选择 30 V TVS,以便支持30 V直流过压。使用1.69 kΩ电阻,后接 低泄露BAV199LT1G肖特基二极管,用于在瞬变和直流过 压事件发生时将电压箝位至5 V供电轨。在30 V直流过压条 件下,1.69 kΩ电阻将流过外部二极管的电流限制为15 mA。 为了确保供电轨能够吸取该电流,可使用齐纳二极管将供 电轨进行箝位处理,以保证它不超过连接电源的任意IC的 绝对最大额定值。选择5.6 V齐纳二极管(NZH5V6B)实现这一 目的。300Ω电阻可进一步限制有可能进入AD7193或ADG738 的电流。

隔离
ADuM5401ADuM1280使用ADI iCoupler®技术,在测量端 和电路控制器端之间提供2500 V rms隔离电压。ADuM5401 还提供隔离电源,用于电路的测量端。ADuM5401采用了isoPower 技术,该项技术使用高频开关元件,通过变压器 传输电力。设计印刷电路板(PCB)布局时应特别小心,必 须符合相关辐射标准。有关电路板布局建议,请参考应用 笔记AN-0971

热电偶配置测试结果
电路的性能高度依赖于传感器和AD7193的配置。K类热电 偶输出变化范围为−10 mV至+60 mV,对应温度范围为−200°C 至+1350°C。AD7193 PGA配置为G = 32。PGA电压摆幅范围 为−320 mV至+1.92 V,即2.24 V p-p。斩波使能时,50 Hz/60Hz 噪声抑制使能,滤波器字FS[9:0] = 96,1024个样本的噪声分 布直方图如图6所示。

图6. CN-0287噪声分布直方图(VDD = 5 V,VREF = 4.096 V,差分输入,双极性,输入缓冲器使能,输出数据速率 = 50 Hz,增益 = 32,斩波使能,60 Hz抑制使能,Sinc4)

AD7193分辨率为24位,即224 = 16,777,216个代码。AD7193 的全动态范围为2 ×VREF = 2 × 4.096 V = 8.192 V。位于PGA 之后的热电偶输出电压仅为2.24 V p-p,并且不会完全占据 AD7193的所有动态范围。因此,系统范围以2.24 V/8.192V 系数降低。

噪声分布约为40个代码峰峰值。2.24 Vp-p测量范围内的无 噪声代码分辨率为:

equation

K类热电偶的满量程温度范围为−200°C至+1350°C,即 1550°C p-p。因此16.8位无噪声代码分辨率相当于0.013°C无 噪声温度分辨率。 热电偶配置测试结果 电路的性能高度依赖于传感器和AD7193的配置。K类热电 偶输出变化范围为−10 mV至+60 mV,对应温度范围为−200°C 至+1350°C。AD7193 PGA配置为G = 32。PGA电压摆幅范围 为−320 mV至+1.92 V,即2.24 V p-p。斩波使能时,50 Hz/60Hz 噪声抑制使能,滤波器字FS[9:0] = 96,1024个样本的噪声分 布直方图如图6所示。

热电偶测量线性度
热电偶测量线性度图7显示K类热电偶系统的近似线性度。 该曲线中,“冷结”温度为0°C。

图7. K类热电偶温度与0°C冷结输出电压的关系

Fluke 5700A校准仪提供分辨率为10 nV的高精度直流电压源, 用于校准以及测试。图8中的电压误差位于0.2μV理想范围 内,相当于大约0.004°C。该结果是系统在25°C时校准后的 短期精度,此时没有温度漂移效应。本电路的主要误差来 源于冷结补偿测量。在本电路中,ADT7310用于冷结补 偿,典型误差为−0.05°C,采用5 V电源时,在−40°C至+105°C 温度范围内的最差情况误差为±0.8°C。若使用3 V电源,则 器件在该温度范围内具有±0.4°C的最大误差。

图8. CN-0287配置为K类热电偶的误差(VDD = 5 V,VREF = 4.096 V,差分输入,双极性,输入缓冲器使能,输出数据速率 = 50 Hz,增益 = 32,斩波使能,60 Hz抑制使能,Sinc4)

RTD配置测试结果
对于Pt100 RTD,默认ADC的增益设置为G = 8,而对于Pt1000 RTD,默认增益设置为G = 1。ADC的基准电压等于4.02 kΩ 参 考电阻两端的电压。Pt100 RTD的温度系数大约为0.385Ω/°C, 且+850°C时电阻可高达400Ω。若默认激励电流为400μA, 则最大RTD电压大约为160 mV。ADC基准电压为4.02 kΩ× 400μA = 1.608 V。对于G = 8,最大RTD电压为160 mV × 8 = 1.28 V,该值大致为可用范围的80%。

对于Pt1000 RTD,+850°C时的最大电阻约为4000Ω。默认激 励电流为380μA,从而最大RTD电压为1.52 V。ADC的基准 电压为4.02 kΩ× 380μA = 1.53 V。采用默认增益设置G = 1, 则RTD最大电压便可利用几乎所有的可用范围。

RTD电阻R以ADC代码(Code)、分辨率(N)、参考电阻(RREF) 和增益(G)表示的通用表达式如下所示:

equation

虽然本设计中采用了纳安器件,来自TVS、二极管、箝位二 极管和ADC的漏电流仍然是RTD测量电路误差的最大来源。

每个输入的总泄露电流为9 nA(3 nA来自AD7193,缓冲器开 启;5 nA来自箝位二极管;1 nA来自TVS二极管)。因此,全 部4个通道将产生36 nA最大漏电流。图2中的反馈环路通过 参考电阻,保持恒定电流。这意味着漏电流影响RTD激励电 流,从而产生误差。默认激励电流为400μA (Pt100)和380μA (Pt1000)。对于Pt100 RTD,漏电流引起的最差情况系统近似 误差为:

equation

对于可测量范围为−200°C至+850°C的Pt100,这相当于系 统精度大约为:

equation

误差量取决于输入端的配置。完成输入配置后,可进行室 温校准,进一步减少误差。

以实验方式显示漏电流效应。每通道均首先配置为四线式 RTD。100Ω固定电阻连接RTD位置上的通道1。0Ω电阻连 接另外3个通道的输入。

增益设为G = 1,激励电流为380μA(Pt1000配置)。

收集数据,然后依次移除连接通道4、通道3和通道2的跳 线,收集每种条件下的数据。结果如图9所示。

图9. 4通道Pt100 RTD通道1漏电流产生的误差(G = 1)

ADC代码从大约437,800变化到437,600,相应的测量值从 104.9015Ω变化到104.8627或0.0388Ω。这表示测量误差大约 为0.1°C;然而,通过在室温下采用固定输入配置进行校 准,即可消除误差。

常见变化

AD779x属于低噪声、低功耗、16/24位∑-△型ADC系列,更 适合信号通道或低功耗应用。ADT7311 是一款±0.5°C精 度、16位数字SPI温度传感器,符合汽车应用规范。使用数 字温度传感器(如ADT7320,精度为±0.25°C),可以改进冷结补偿电路的精度。

集成DC-DC转换器的数字隔离器ADuM6401提供最高5 kV的RMS隔离。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0287-SDPZ 电路板和SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)系统演示平台控制器板。这两片板具有120引脚的对 接连接器,可以快速完成设置并评估电路性能。EVALCN0287- SDPZ板包含要评估的电路,如本笔记所述。 SDP-B控制器板与CN0287评估软件一起使用,可从EVALCN0287- SDPZ电路板获取数据。

设备要求
需要以下设备:

  • 带USB端口的Windows® XP(32位)、Windows Vista®或 Windows® 7 PC
  • EVAL-CN0287-SDPZ电路板
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制器板
  • CN-0287 SDP评估软件
  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流电源或同等6 V/1 A台式电源
  • RTD或热电偶传感器或传感器仿真器(评估软件支持 下列RTD:Pt100、Pt1000;热电偶:K类、J类、T类、 S类)

开始使用
将CN0287评估软件光盘放进PC的光盘驱动器,安装评估 软件。打开我的电脑,找到包含评估软件的驱动器。

功能框图
电路框图见图1,完整的电路原理图见EVAL-CN0287-SDPZ-PADSSchematic.pdf文件。 此文件位于CN0287设计支持包中:www.analog.com/CN0287-DesignSupport。 图10显示测试设置的功能框图。

图10. 测试设置功能框图

设置
将EVAL-CN0287-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到 EVAL-SDP-CB1Z控制器板(SDP-B)上的CON A连接器。使用 尼龙五金配件,通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这 两片板。在断电情况下,将一个6 V电源连接到电路板上的 +6 V和GND引脚。如果有6 V壁式电源适配器,可将其连接 到板上的管式连接器J2,代替6 V电源。SDP-B板附带的USB 电缆连接到PC上的USB端口。此时请勿将该USB电缆连接 到SDP-B板上的微型USB连接器。

接通6 V电源,为评估板和SDP板上电,然后将Mini-USB电 缆连接到SDP板上的Mini-USB端口。

测试
启动评估软件。一旦USB通信建立,就可以使用SDP-B板 来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0287-SDPZ板的数据。

图11显示EVAL-CN0287-SDPZ评估板连接SDP板的照片。 有关SDP-B板的信息,请参阅SDP-B用户指南。

有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的 详细信息,请参阅CN-0287软件用户指南:

针对原型开发的连接
EVAL-CN0287-SDPZ评估板设计用于EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板,但任何微处理器都可通过PMOD连接器J6实现 与SPI接口的对接。有关PMOD连接器的引脚定义可参见 CN0287设计支持包中CN0287评估板的原理图。为使另一 个控制器能与EVAL-CN0287-SDPZ评估板一同使用,第三 方必须开发相应的软件。

图11. 连接到EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板的EVAL-CN0287-SDPZ评估板

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5201 33位数字电位计 AD5201BRMZ10
AD7193 内置PGA的4通道、4.8 KHZ、超低噪声、24位Σ-Δ型ADC AD7193BRUZ AD7193BCPZ
AD8603 微功耗RRIO、低噪声、精密单通道CMOS运算放大器 AD8603AUJZ-REEL7
ADG702 CMOS、低压、2 Ω、单刀单掷开关 ADG702BRMZ ADG702BRT-REEL7 ADG702BRTZ-REEL7 ADG702BRJZ-REEL7
ADG738 CMOS、低压、单电源8:1多路复用器,串行控制矩阵开关 ADG738BRUZ
ADR3440 微功耗、高精度基准电压源

欲获取样片,请 联系ADI公司

ADT7310 ±0.5°C精度、16位数字SPI温度传感器 ADT7310TRZ
ADUM1280 3kV rms、默认输出高电平、双通道数字隔离器(2/0通道方向性) ADUM1280CRZ ADUM1280WBRZ ADUM1280ARZ ADUM1280WARZ ADUM1280BRZ ADUM1280WCRZ
ADUM5401 集成DC/DC转换器的四通道隔离器(3/1通道方向性) ADUM5401CRWZ ADUM5401WCRWZ ADUM5401ARWZ ADUM5401WCRWZ-1
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CFTL-6V-PWRZ Universal Power Supply $ 17.00 Yes
EVAL-CN0287-SDPZ Isolated 4-Channel, Temperature Measurement Circuit Optimized $ 99.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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