電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一款完整的智能工業(yè)環(huán)路供電現(xiàn)場儀器，提供 4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART®) 接口。HART是一種數(shù)字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬 電流信號之上調(diào)制一個1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。它可實現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和過程變量傳 輸；這些功能在諸如溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必須的。
該電路已通過兼容性測試和驗證，并通過了HART通信基 金會(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設(shè)計人員極其 放心地使用電路中的一個或全部元件。
該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器 ADuCM360、4mA 至20 mA 16位環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) AD5421 ，以及業(yè)界 功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器 AD5700
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Figure 1A. DEMO-AD5700D2Z Printed Circuit Board (Pressure Sensor Not Included)
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電路描述
模擬前端接口
ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。同時還集成了可編程增益儀表放大器、 精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程電流源、靈活的多路復(fù)用器 以及其它許多特性。該器件允許直接與多個模擬傳感器對 接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及 工業(yè)用途的其它各類傳感器。
圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的 示例電路。而 ADuCM360具有靈活的前端，允許進(jìn)行除此 之外的其它各種配置，滿足各種類型的精密模擬傳感器應(yīng) 用要求。
主傳感器輸入
ADuCM360的片內(nèi)ADC0測量現(xiàn)場儀器的主傳感器，在圖1中 表示為橋式傳感器。該傳感器通過一個RC濾波器網(wǎng)絡(luò)連接 至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干 擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。
ADuCM360 的VREF+和VREF−基準(zhǔn)電壓輸入檢測電橋的激 勵電壓并啟動電路的比率工作模式，使測量獨(dú)立于傳感器 電源電壓的確切值。若應(yīng)用需要，則片內(nèi)接地開關(guān)可動態(tài) 斷開電橋的激勵電壓，降低功耗。
輔助傳感器輸入
本電路使用100Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測器(RTD)作為輔助傳感 器。RTD能夠檢測主傳感器的溫度，因此，如果必要，可 對主傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
ADuCM360可編程電流源通過AIN4引腳為RTD提供電流。 ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2 引腳，測量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對流過 RTD的確切電流值進(jìn)行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測 得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理、算法和通信
所有現(xiàn)場儀器的數(shù)字功能均由 ADuCM36032位ARM Cortex™ M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節(jié)非易失性fiash/EE 存儲器、8 k字節(jié)SRAM，以及一個支持有線(2× SPI、UART、 I²C)通信外設(shè)的11通道直接存儲器訪問(DMA)控制器。
演示軟件可進(jìn)行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數(shù) 據(jù)、控制模擬輸出，并進(jìn)行HART通信。
模擬輸出
AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA 環(huán)路供電輸出驅(qū)動器，可提供現(xiàn)場儀器模擬輸出所需的全 部功能。
AD5421通過SPI接口與 ADuCM360控制器通信。
AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關(guān)的診斷功 能。輔助ADC可通過連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電 阻分壓器測量儀器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過內(nèi)部傳 感器測量芯片溫度。 ADuCM360 控制器可配置并讀取 AD5421, 的全部診斷數(shù)據(jù)，但 AD5421也可采用自主工作方式。
例如，若控制器和 AD5421之間的通信發(fā)生故障， AD5421 將在一段時間后自動設(shè)置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。 此報警電流將現(xiàn)場儀器工作故障這一情況匯報給主機(jī)。
輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART 通信產(chǎn)生干擾。(參見“模擬變化率”部分)。
HART通信
AD5700 集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器 通過標(biāo)準(zhǔn)UART接口，伴隨請求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD) 信號實現(xiàn)與 ADuCM360控制器的連接。
HART輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調(diào)整至所需幅 度，并耦合至 AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū) 動和調(diào)制輸出電流。
被耦合到LOOP+端的HART信號通過一個簡單的有源RC濾 波器輸入到 AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一 級，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗 電磁干擾的能力——這對于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的 應(yīng)用而言非常重要。
AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連 的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘。
輸出保護(hù)
瞬變電壓抑制器(TVS)保護(hù)4 mA至20 mA HART接口免受過 壓影響。其額定電壓不應(yīng)超過 AD5421 在REGIN引腳上的60 V 絕對最大電壓。請注意，TVS泄漏電流可能會影響電流輸 出精度；因此，選用此器件時，需關(guān)注一定環(huán)路電壓和溫 度范圍下的泄漏電流。
可使用外部耗盡型FET與 AD5421 搭配工作，提高環(huán)路電壓 最大值。
本電路具有保護(hù)功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對二極 管保護(hù)電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。
鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提 升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡(luò)的規(guī)格限制，請勿在 環(huán)路端點(diǎn)處使用更高數(shù)值的電容。
4.7 V低泄露齊納二極管保護(hù) AD5421 的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電 阻免受 AD5421的COM引腳和LOOP−引腳間意料之外的外 部電壓影響(例如，對 ADuCM360 編程或調(diào)試電路時)。
電源和電源管理
包括傳感器驅(qū)動電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場儀器電路必須工作在 4 mA至20 mA環(huán)路提供的限量電源下。這對所有環(huán)路供電 現(xiàn)場儀器設(shè)計而言，都是一個普遍的難題。圖1中的電路 提供了低功耗以及高性能解決方案的一個實例。應(yīng)用中用 到的全部三個集成電路均針對低功耗而設(shè)計，并且電路依 靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)的 環(huán)路供電解決方案。
AD5421采用4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，為電路的其余部 分提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓。依據(jù)電路的需求， AD5421 REGOUT 電壓可以編程在1.8 V至12 V范圍內(nèi)。圖1中的電路采 用3.3 V電源電壓選項，作為所用輸入傳感器的一個實例。 然而，由于 ADuCM360和 AD5700 具有更寬的電源電壓范 圍，因此可采用不同的電源電壓，以滿足應(yīng)用要求。
REGOUT RC濾波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止傳感器模擬 前端受到來自環(huán)路的任何干擾的影響。它還能防止電路產(chǎn) 生的任何干擾(尤其是控制器和數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾)回流 耦合至環(huán)路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。
AD5700HART調(diào)制解調(diào)器通過一個額外的RC濾波器供電 (470 Ω/1 μF)。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中的作用非常重 要，因為它可防止 AD5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路 輸出進(jìn)行耦合；若非如此，將影響HART通信。在靜默測 試期間，特地通過HART帶內(nèi)噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪 聲性能問題。 AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過將 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達(dá)到的功耗范圍 中選擇最低值。
ADuCM360具有極為靈活的內(nèi)部電源管理功能，提供所有 內(nèi)部模塊的許多供電和時鐘選項，并且當(dāng)軟件調(diào)用時，允 許針對特定的儀器應(yīng)用，在要求的功能、性能和功耗之間 取得最佳平衡。請參考 ADuCM360 產(chǎn)品頁面和 AN-1111應(yīng) 用指南。
模擬前端AVDD通過另一個濾波器(10 μF/鐵氧體磁珠/1.6 Ω/ 10 μF)供電，以便最大程度針對低壓傳感器信號減少電源噪 聲，獲得更佳性能。
ADuCM360 的GND_SW接地開關(guān)引腳控制主傳感器的激勵 和電源。儀器上電時，開關(guān)默認(rèn)為關(guān)閉。這一默認(rèn)設(shè)定允 許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進(jìn)行全面配置，包括適當(dāng)?shù)碾?源模式，從而最大程度降低4 mA至20 mA環(huán)路輸出上可能 存在的任何上電尖峰。
類似地，輔助傳感器采用 ADuCM360的可編程電流源供 電，因此可通過軟件完全控制其電源輸入。
ADuCM360 軟件
可在 CN-0267 設(shè)計支持包中找到演示本電路功能和性能的 基本代碼示例。
代碼示例包括基本HART從機(jī)命令響應(yīng)，用于演示硬件的 功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協(xié)議層。
常見變化
ADuCM360具有一個高性能且非常靈活的模擬前端，提供 12個模擬輸入引腳以及供基準(zhǔn)電壓源和接地開關(guān)使用的額 外引腳。它允許與多個各類模擬傳感器直接接口，比如任 意的阻性橋式傳感器、電阻式溫度傳感器或熱電偶。由于 可用于幾乎所有的傳感器現(xiàn)場儀器，這款現(xiàn)場儀器解決方 案并不局限于溫度補(bǔ)償型壓力測量。
在模擬前端只需一個Σ-Δ型ADC的應(yīng)用中，可使用 ADuCM361替換 ADuCM360。除了備用ADC， ADuCM361提供 ADuCM360的所有特性。
ADuCM361 片內(nèi)DAC和外部晶體管可用于控制4 mA至20 mA 環(huán)路，詳情請參見CN-0300。
AD5421可通過保護(hù)電路直接與環(huán)路相連。也可在AD5421 和環(huán)路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖2所 示。由于在本配置中使用額外MOSFET，因此可將AD5421 上的電壓降保持在12 V左右，降低 AD5421封裝的功耗，并 增加4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還可將環(huán)路允許的最 大電壓提升至MOSFET的額定電平值。額外的MOSFET對 HART通信無影響。
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圖2. MOSEFT連接至AD5421環(huán)路電源
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本電路中， AD5700與3.8664 MHz晶振共同使用，形成具有 最低功耗的配置。作為替代方案， AD5700-1可配合0.5 %精 度的集成式內(nèi)部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內(nèi)部振 蕩器最多可提升225 μA調(diào)制解調(diào)器電源電流，但因為無需使 用外部晶體，因此該方案同時節(jié)省了成本，降低了所需的 電路板面積。
對于非環(huán)路供電的應(yīng)用，則 AD5410, AD5420, AD5422或AD5755 是針對4 mA至20 mA DAC不錯的選擇。
電路評估與測試
電路硬件
圖1中的電路基于圖3中的 DEMO-AD5700D2Z 印刷電路板 構(gòu)建。
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圖3. DEMO-AD5700D2Z印刷電路板
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DEMO-AD5700D2Z電路板具有一些額外的特性，方便進(jìn) 行系統(tǒng)評估。連接器具有0.1英寸的引腳間距，允許使用可 選的主級和次級傳感器連接。HART兼容性測試可能需要 用到HART RTS和DC信號的測試點(diǎn)。
DEMO-AD5700D2Z 邊沿上的連接器使 ADuCM360 信號線 和UART下載/調(diào)試信號可被訪問，讓軟件開發(fā)、代碼下載 和在線調(diào)試與仿真更為便捷。連接器帶有小型的連接頭擴(kuò) 展器(隨 DEMO-AD5700D2Z板一同提供)，兼容ADI的所有 基于Cortex-M3的開發(fā)工具，例如 EVAL-ADuCM360QSPZ評估套件(該評估套件不隨 DEMO-AD5700D2Z板提供)。
圖1的簡化框圖中未顯示這些特性；然而，可在CN-0267設(shè) 計支持包中的完整電路圖上看到它們。設(shè)計支持包還包括 完整的現(xiàn)場儀器C語言代碼示例，可用來對全部硬件模塊 和電路特性進(jìn)行完整的驗證與評估，并對HARt接口的功能 性提供一定程度的驗證。有關(guān)HART接口規(guī)格和資源的詳 細(xì)信息，請聯(lián)系HART通信基金會。
HART兼容性 DEMO-AD5700D2Z已通過HART FSK物理層規(guī)范(HCF_SPEC- 054，修訂版8.1)的兼容性驗證，該驗證采用HART物理層 測試規(guī)范(HCF_TEST-2，修訂版2.2)中的方法和設(shè)備。本 電路板已提交HART通信基金會，并成功注冊。
可在HART通信基金會(HFC)網(wǎng)站上找到該注冊電路，產(chǎn)品 目錄為： DEMO-AD5700D2Z.
涉及的兩項測試為：靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。
靜默期間的輸出噪聲測試
當(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸(靜默)時，噪聲不應(yīng)耦合至網(wǎng)絡(luò) 上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備對 HART信號的接收。
對于在環(huán)路中的500 Ω負(fù)載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶 噪聲和HART擴(kuò)展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms。 此外，HART擴(kuò)展頻帶外的噪聲不應(yīng)超過138 mV rms。
500 Ω負(fù)載上的噪聲采用真均方根測量儀測得。此噪聲作為 帶外噪聲直接進(jìn)行測量，作為帶內(nèi)噪聲通過HCF_TOOL-31 濾波器測量。也可使用示波器來檢查噪聲波形。
在最差情況下進(jìn)行噪聲測量，即4 mA輸出電流。圖4顯示捕 獲的噪聲波形，結(jié)果總結(jié)在表1中。
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圖4. 靜默波形下的輸出噪聲
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表1. 靜默時的輸出噪聲
| 輸出噪聲 | 測得值 (mV) | 測得值 (mV) |
|---|---|---|
| 擴(kuò)展頻率范圍以外 | 4.13 | <138 |
| 擴(kuò)展頻率范圍以內(nèi) | 1.03 | <2.2 |
模擬變化率測試 這一技術(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)模擬輸出電流時，模擬電 流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會 擾亂HART信號傳輸。
最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產(chǎn)生高于15 mV峰 值電壓的干擾，此數(shù)值在HART擴(kuò)展頻帶下，通過對500 Ω 負(fù)載進(jìn)行測量得到。
AD5421DAC和輸出驅(qū)動器相對較快。因此，為了滿足所需 的系統(tǒng)規(guī)格，可將 AD5421的硬件壓擺率限制與 ADuCM360軟件中的數(shù)字濾波器相結(jié)合，控制輸出電流的變化。.
通過與 AD5421的 CIN引腳相連的電容，設(shè)置硬件壓擺率限 制。當(dāng)模擬輸出電流值需要改變較大的步進(jìn)時， ADuCM360軟件將發(fā)送到 AD5421 DAC的輸出電流變化分割 成數(shù)個較小的步進(jìn)。
使用一個示波器執(zhí)行該測試，并通過HCF_TOOL-31濾波 器耦合至500 Ω負(fù)載。
結(jié)果如圖5所示。波形CH1顯示4 mA和20 mA之間的周期性 步進(jìn)，直接在500 Ω負(fù)載上測得。波形CH2是HCF_TOOL-31 濾波器輸出端捕獲的信號，將其放大10倍，并處于150 mV 峰值限制之內(nèi)。
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圖5. 模擬變化率波形
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電路功耗 使用兩種方法來評估電路的功耗性能
在第一種方法中，測量來自AD5421集成式電壓調(diào)節(jié)器的輸 出電流。
考慮到最小模擬輸出電流為4 mA，并且HART輸出直流調(diào)制 峰值為0.5 mA，則電路在正常工作模式下消耗的最大電流必 須低于3.5 mA。 AD5421 自身工作需消耗0.3 mA的最大電流， 因此留給 AD5421 REGOUT輸出的最大電流約為3.2 mA。
為了便于進(jìn)行在線測量， DEMO-AD5700D2Z 在10 Ω電阻兩 側(cè)的REGOUT輸出濾波器中均有測試點(diǎn)(T5，T6)，如圖6所 示。此設(shè)置允許對電阻上的壓降進(jìn)行測量，并對電流進(jìn)行 計算，而無需打斷電源電流或干擾電路。
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圖6. 使用測試點(diǎn)測量AD5421 REGOUT電流
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結(jié)果顯示在表2中，測量條件如下：
- REGOUT = 3.3 V
- ADuCM360 M3內(nèi)核時鐘 = 2 MHz
- 兩個ADC每秒均轉(zhuǎn)換50個樣本
- ADC0的兩個緩沖器均開啟，增益 = 8
- ADC1的兩個緩沖器均開啟，增益 = 16
- RTD激勵電流 = 200 μA
- SPI與 AD5421通信的串行時鐘 = 100 kHz
- HART通信
電路及所有相關(guān)模擬和數(shù)字模塊(包括輸入傳感器)的功耗 在環(huán)路電流最小值為4 mA時，許可的預(yù)算之內(nèi)。
表2. AD5421的電源電流 AD5421, REGOUT = 3.3V
| 輸入傳感器 | T5至T6電壓 最大值(mV)(mV) | REGOUT電流 最大值(mA) |
|---|---|---|
| 無 | 24.4 | 2.44 |
| 24PCDFA6D(3.3 V時為5 kΩ、0.66 mA) | 31.0 | 3.10 |
在評估電路功耗的第二種方法中，電路經(jīng)驗證正常工作， 執(zhí)行HART通信任務(wù)時的模擬輸出電流設(shè)置為4 mA最小值。 結(jié)果顯示電路提供4 mA電流，且HART輸出信號不失真。
主傳感器輸入性能<
ADuCM360片內(nèi)集成大部分模擬前端，因此模擬輸入的性 能主要由 ADuCM360的規(guī)格決定。
噪聲電平是受模擬前端與板上其余電路部分交互干擾的主 要因素。因此，測試主要針對噪聲以及相關(guān)的系統(tǒng)分辨率 性能。
該演示配置為從主模擬輸入通過HART通信發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù) 值以壓力表示，單位為kPa。捕獲100個樣本，完成基本數(shù) 據(jù)分析以便量化性能。兩項測試包括：
- 第一項測試將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(Honeywell 24PCDFA6D)直 接焊接至電路板上。
- 第二項測試采用由一組固定和可變電阻生成的主輸入信 號執(zhí)行，如圖7所示。
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圖7. 由一組電阻生成的主輸入信號
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性能總結(jié)見表3，圖8和圖9顯示信號曲線圖。
表3. 主傳感器輸入噪聲和分辨率
| 參數(shù) | 壓力傳感器 | 阻性網(wǎng)絡(luò) |
|---|---|---|
| 滿量程 | 207 kPa | 246 kPa |
| 均方根噪聲 | 1.3 Pa | 0.68 Pa |
| 峰峰值噪聲 | 6.8 Pa | 3.6 Pa |
| 有效分辨率(rms) | 17.2 位 | 18.5 位 |
| 無噪聲分辨率(p-p) | 14.9 位 | 16.1位 |
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圖8. 壓力傳感器輸入信號曲線圖
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圖9. 阻性網(wǎng)絡(luò)作為主輸入信號的曲線圖
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輔助傳感器輸入性能 與主傳感器類似，輔助傳感器輸入的性能主要由 ADuCM360的模擬前端決定(噪聲性能除外)。
模擬輸入配置為通過HART通信路徑向主機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù) (以°C表示)。對100個樣本執(zhí)行兩項測試，以便進(jìn)行性能的 量化分析。
第一項測試采用板載100 Ω鉑電阻傳感器進(jìn)行，第二項測試 則采用標(biāo)準(zhǔn)(固定)100 Ω ± 1%電阻代替板載傳感器進(jìn)行。
性能總結(jié)見表4，圖10和圖11顯示信號曲線圖。
表4. 輔助傳感器輸入噪聲性能
| 參數(shù) | 壓力傳感器 | 阻性網(wǎng)絡(luò) |
|---|---|---|
| 均方根噪聲 | 0.037°C | 0.033°C |
| 峰峰值噪聲 | 0.19°C | 0.16°C |
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圖11. 固定100 Ω ± 1%電阻用作輔助輸入的信號曲線圖
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圖10. RTD(100 Ω鉑電阻)傳感器輸入信號曲線圖
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