激勵電流,、增益和外部元件的選擇
理想情況下，我們傾向于選擇較高的激勵電流以產(chǎn)生較高的輸出電壓,，并使ADC輸入范圍最大化,。然而，由于傳感器為阻性,，設計人員還必須確保大值激勵電流的功耗或自發(fā)熱效應不會影響測量結(jié)果,。系統(tǒng)設計人員可能選擇高激勵電流,。但是，為使自發(fā)熱最小化,，在兩次測量之間需要關(guān)閉激勵電流,。設計人員需要考慮時序?qū)ο到y(tǒng)的影響。另一種方法是選擇較低激勵電流,，以使自發(fā)熱最小,。時序現(xiàn)已最小化，但設計人員需要確定系統(tǒng)性能是否受到影響,。所有方案都可以通過RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進行測試,。該工具允許用戶平衡激勵電流、增益和外部元件的選擇,，以確保模擬輸入電壓得到優(yōu)化,，同時調(diào)整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和系統(tǒng)性能,，即噪聲和失調(diào)誤差更低,。
要了解所得到的濾波曲線，或者要更深入地了解轉(zhuǎn)換時序,，VirtualEval在線工具可提供相關(guān)細節(jié),。
Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準輸入均由開關(guān)電容前端連續(xù)采樣。對于所討論的RTD系統(tǒng),，基準輸入也受外部基準電阻驅(qū)動,。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用一個外部RC濾波器用于抗混疊。為了EMC目的,，系統(tǒng)設計人員可以在模擬輸入端和基準輸入端使用較大R和C值,。大RC值在測量中可能引起增益誤差，因為在兩個采樣時刻之間的時間里,，前端電路沒有充足的時間來建立,。緩沖模擬和基準輸入可防止此類增益誤差，從而允許使用不受限制的R和C值,。
對于AD7124-4/AD7124-8,，當使用大于1的內(nèi)部增益時，模擬輸入緩沖器自動使能,，由于PGA放置在輸入緩沖器的前面,，并且PGA是軌到軌的，所以模擬輸入也是軌到軌的,。但是，對于基準緩沖器,，或者在增益為1時使用ADC且使能模擬輸入緩沖器,，則有必要確保提供正確運行所需的裕量,。
Pt100輸出的信號電平很低，大約為幾百mV,。為獲得最佳性能,，可以使用寬動態(tài)范圍的ADC?；蛘呤褂靡粋€增益級來放大信號,，再將其應用于ADC。AD7124-4/AD7124-8支持1到128的增益,，因而可以針對各種激勵電流優(yōu)化設計,。PGA增益的多個選項允許設計人員在激勵電流值與增益、外部元件,、性能之間取舍,。RTD配置工具會指示新的激勵電流值是否能與所選RTD傳感器一起使用。它還會給出精密基準電阻和基準裕量電阻的適當建議值,。請注意,，該工具可確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)使用--它會顯示支持相關(guān)配置的可能增益。AD7124激勵電流具有輸出順從性,；也就是說,，提供激勵電流的引腳上的電壓相對于AVDD需要一些裕量。該工具也會確保符合該順從規(guī)格,。
借助RTD工具,，系統(tǒng)設計人員可以保證系統(tǒng)在ADC和RTD傳感器的工作限值內(nèi)運行?；鶞孰娮璧韧獠吭木燃捌鋵ο到y(tǒng)誤差的貢獻將在稍后討論,。
濾波選項（模擬和數(shù)字50 Hz/60 Hz抑制）
如前所述，建議將抗混疊濾波器配合Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器使用,。嵌入式濾波器是數(shù)字式,，所以頻率響應在采樣頻率附近折回。為了充分衰減調(diào)制器頻率及其倍數(shù)處的干擾,，必須使用抗混疊濾波,。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器會對模擬輸入過采樣，因此抗混疊濾波器的設計大大簡化,，只需要一個簡單的單極點RC濾波器,。
當最終系統(tǒng)投入現(xiàn)場使用時，處理來自系統(tǒng)所處環(huán)境的噪聲或干擾可能非常有挑戰(zhàn)性,，尤其是在工業(yè)自動化,、儀器儀表、過程控制或功率控制等應用領(lǐng)域,，這些應用要求耐噪,，同時不能產(chǎn)生太大噪聲而影響到相鄰元器件,。噪聲、瞬態(tài)或其他干擾源會影響系統(tǒng)精度和分辨率,。當系統(tǒng)由交流電源供電時,，也會產(chǎn)生干擾。交流電源頻率在歐洲是50 Hz及其倍數(shù),，在美國是60 Hz及其倍數(shù),。因此，當設計RTD系統(tǒng)時,，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑制能力的濾波電路,。許多系統(tǒng)設計人員希望設計一個能夠同時抑制50 Hz和60 Hz的通用系統(tǒng)。
大多數(shù)較低帶寬ADC（包括AD7124-4/AD7124-8）提供多種數(shù)字濾波選項,，通過編程可將陷波頻率設置為50 Hz/60 Hz,。所選濾波器選項會影響輸出數(shù)據(jù)速率、建立時間以及50 Hz/60 Hz抑制,。使能多個通道時,，每次切換通道都需要一個建立時間以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此,，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率,。在這種情況下，可使用后置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同時抑制,，從而提高吞吐速率,。
功耗考慮
系統(tǒng)的電流消耗或功耗預算分配高度依賴于最終應用。AD7124-4/AD7124-8具有三種功耗模式,，支持在性能,、速度和功耗之間進行權(quán)衡。便攜式或遠程應用須使用低功耗器件和配置,。對于某些工業(yè)自動化應用,，整個系統(tǒng)都由4 mA到20 mA環(huán)路供電，因此允許的電流預算最大值僅有4 mA,。對于此類應用,，可以將器件設置為中功率或低功耗模式。速度要低得多,，但ADC仍能提供高性能,。如果應用是由交流電源供電的過程控制，則電流消耗可以高得多,，因此器件可以設置為全功率模式,，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)高得多的輸出數(shù)據(jù)速率和更高的性能。
誤差源和校準選項
知道所需的系統(tǒng)配置之后，下一步是估算與ADC相關(guān)的誤差和系統(tǒng)誤差,。這些誤差可幫助系統(tǒng)設計人員了解前端和ADC配置是否滿足整體目標精度和性能,。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能。例如,，圖9顯示了所有誤差的摘要。系統(tǒng)誤差餅圖表明,，外部基準電阻的初始精度及其溫度系數(shù)是系統(tǒng)總誤差的主要貢獻因素,。因此，必須考慮使用更高精度和更好溫度系數(shù)的外部基準電阻,。
ADC引起的誤差不是系統(tǒng)總誤差的最重要貢獻因素,。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的內(nèi)部校準模式可以進一步減小ADC的誤差貢獻,。建議在上電或軟件初始化時進行內(nèi)部校準,，以消除ADC增益和失調(diào)誤差。請注意,，這些校準不會消除外部電路造成的誤差,。但是，ADC還支持系統(tǒng)校準,，使得系統(tǒng)失調(diào)和增益錯誤可以最小化,，但這可能會增加額外的成本，大多數(shù)應用可能不需要,。
故障檢測
對于惡劣環(huán)境或安全很重要的應用,，診斷正成為行業(yè)要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實現(xiàn)診斷的需求,，使得解決方案尺寸更小,、時間更短且成本更低。診斷包括：
檢查模擬引腳上的電壓電平,，確保其在額定工作范圍內(nèi)
串行外設接口（SPI）總線的循環(huán)冗余校驗（CRC）
存儲器映射的CRC
信號鏈檢查
這些診斷使得解決方案更強大,。根據(jù)IEC 61508，典型3線RTD應用的失效模式,、影響和診斷分析（FMEDA）表明安全失效比率（SFF）大于90%,。
RTD系統(tǒng)評估
圖10顯示了來自電路筆記CN-0383的一些測量數(shù)據(jù)。該測量數(shù)據(jù)是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得,，其中包括2-/3-/4-線RTD的演示模式,，并計算了相應的攝氏溫度值。結(jié)果表明,，2線RTD實現(xiàn)方案的誤差更接近誤差邊界的下限,，而3線或4線RTD實現(xiàn)方案的總體誤差完全在允許限值以內(nèi)。2線測量中的較高誤差源于前面所述的引線電阻誤差。
圖9.RTD誤差源計算程序
圖10.2-/3-/4-線RTD溫度精度測量后置濾波器,，低功耗模式,，25 SPS
這些例子說明，當與ADI公司的較低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）一起使用時,，遵循上述RTD指南將能實現(xiàn)高精度,、高性能設計。電路筆記（CN-0383）也可用作參考設計,，幫助系統(tǒng)設計人員快速實現(xiàn)原型,。評估板允許用戶評估系統(tǒng)性能，每種示例配置演示模式都可以使用,。進一步說,，使用ADI生成的示例代碼（可從AD7124-4/AD7124-8產(chǎn)品頁面獲得），可以輕松開發(fā)出不同RTD配置的固件,。
采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC（例如AD7124-4/AD7124-8）適合于RTD測量應用,，因為其解決了諸如50 Hz/60 Hz抑制之類的問題，并且模擬輸入具有寬共模范圍（基準輸入也可能有）,。另外,，這些器件具有高集成度，包含RTD系統(tǒng)設計所需的全部功能,。它們還提供增強特性,，如校準能力和嵌入式診斷。這種集成度加上完整的系統(tǒng)資料或生態(tài)系統(tǒng),，將能簡化整體系統(tǒng)設計,，降低成本，縮短從概念到原型的設計周期,。
為使系統(tǒng)設計人員的設計之旅更輕松,，可以使用RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383來解決不同的挑戰(zhàn),，例如連接問題和整體誤差預算,，將用戶的設計體驗提升到更高層次。
結(jié)論
本文已說明,，設計RTD溫度測量系統(tǒng)是一個具挑戰(zhàn)性的多步驟過程,。它需要選擇不同的傳感器配置、ADC和優(yōu)化,，并考慮這些決策如何影響整體系統(tǒng)性能,。ADI公司的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383,，通過解決連接和整體誤差預算問題來簡化該過程,。
作者簡介
Jellenie Rodriguez是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的一名應用工程師,。她主要關(guān)注用于直流測量的精密Σ-Δ型ADC。她于2012年加入ADI公司,，2011年畢業(yè)于San Sebastian College-Recoletos de Cavite,，獲得電子工程學士學位。
Mary McCarthy是ADI公司應用工程師,。她于1991年加入ADI公司,，在愛爾蘭科克市的線性與精密技術(shù)應用部工作，主要關(guān)注精密Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器,。她于1991年畢業(yè)于科克大學,，獲得電子與電氣工程學士學位。
