簡(jiǎn)介 

       許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用Σ-Δ型ADC和RTD（電阻式溫度檢測(cè)器）進(jìn)行溫度測(cè)量，但實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的高性能時(shí)有困難。 例如，一些設(shè)計(jì)人員可能只能從16位至18位ADC獲得12至13個(gè)無(wú)噪聲位。 本文介紹的前端技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)人員在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中獲得16個(gè)以上的無(wú)噪聲位。
       在比率式測(cè)量中使用RTD有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗芟?lì)電流源的精度和漂移等誤差源。 下面是4線(xiàn)RTD比率式測(cè)量的典型電路。 4線(xiàn)式配置的優(yōu)勢(shì)是可消除由引腳電阻產(chǎn)生的誤差。

圖1. 4線(xiàn)RTD比率式測(cè)量電路。

我們可以從上述電路推導(dǎo)出下面兩個(gè)公式：

當(dāng)ADC工作在雙極性差分模式時(shí)，計(jì)算RTD電阻(RRTD)的通用表達(dá)式如下所示：

其中：
CodeRTD為ADC碼。 
CodeADC_Fullscale為ADC滿(mǎn)量程代碼。 

       RTD的測(cè)量電阻值理論上僅與基準(zhǔn)電阻的精度和漂移相關(guān)。 通常，RREF為精確的低漂移電阻，精度為0.1%。

       當(dāng)工程師使用此類(lèi)電路設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，他們會(huì)在模擬輸入和外部基準(zhǔn)電壓源引腳前添加一些電阻和電容，以獲得低通濾波和如圖2所示的過(guò)電壓保護(hù)。在本文中，我們將展示選擇合適的電阻和電容以獲得更好的噪聲性能時(shí)應(yīng)該考慮的因素。

圖2. 典型4線(xiàn)RTD比率式測(cè)量電路。

       從圖2中可以看出，R1、R2、C1、C2和C3用作為差分和共模電壓信號(hào)提供衰減的一階低通RC濾波器。 R1和R2的值應(yīng)相同，C1和C2的值也選擇相同的值。 同樣，R3、R4、C4、C5和C6用作參考路徑的低通濾波器。

共模低通RC濾波器
圖3所示為共模低通濾波器等效電路。

圖3. 共模低通濾波器。

因?yàn)閍點(diǎn)的共模電壓等于b點(diǎn)的電壓，所以沒(méi)有電流流過(guò)C3。 因此，共模截止頻率可表示為：

差分模式低通RC濾波器
       為了更好地理解差分信號(hào)的低通RC濾波器截止頻率，可將圖4中的C3電容視作圖5中的兩個(gè)獨(dú)立電容：Ca和Cb。

圖4. 差分模式低通濾波器。

圖5. 差分模式低通濾波器等效電路。

圖5中，差分模式截止頻率為：

       通常，C3的值是Ccm的值的10倍。 這是為了降低C1和C2不一致產(chǎn)生的影響。 例如，如圖6所示，ADI電路筆記CN-0381中使用模擬前端設(shè)計(jì)時(shí)，差分信號(hào)的截止頻率約為800 Hz，共模信號(hào)的截止頻率約為16 kHz。

圖6. 使用AD7124進(jìn)行RTD測(cè)量的模擬輸入配置。

電阻和電容考慮
       除了作為低通濾波器的一部分外，R1和R2還可提供過(guò)電壓保護(hù)。 如果圖6中的AD7124-4 AIN引腳前使用的是3 k?電阻，則最高可保護(hù)30 V接線(xiàn)錯(cuò)誤。 不建議在AIN引腳前使用更大的電阻，原因有二。 第一，它們將產(chǎn)生更大的熱噪聲。 第二，AIN引腳具有輸入電流，電流將流經(jīng)這些電阻并引入誤差。 這些輸入電流的大小不是恒定值，不匹配的輸入電流將產(chǎn)生噪聲，并且噪聲將隨電阻值增大而增大。

       電阻和電容值對(duì)確定最終電路的性能至關(guān)重要。 設(shè)計(jì)人員需要理解其現(xiàn)場(chǎng)要求，并根據(jù)上述公式計(jì)算電阻和電容值。 對(duì)于具有集成激勵(lì)電流源的ADI Σ-Δ型ADC器件和精密模擬微控制器，建議在AIN和基準(zhǔn)電壓源引腳前使用相同的電阻和電容值。 這種設(shè)計(jì)可確保模擬輸入電壓始終與基準(zhǔn)電壓成比例，并且激勵(lì)電流的溫度漂移和噪聲所引起的模擬輸入電壓的任何誤差，都可通過(guò)基準(zhǔn)電壓的變化予以補(bǔ)償。

用比率式測(cè)量法測(cè)得的ADuCM360噪聲性能
       ADuCM360是完全集成的3.9 kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙路高性能多通道Σ-Δ型ADC、32位ARM? Cortex?-M3處理器和Flash/EE存儲(chǔ)器。 同時(shí)還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程激勵(lì)電流源、靈活的多路復(fù)用器以及其它許多特性。 它可與電阻式溫度傳感器直接連接。

       使用ADuCM360進(jìn)行RTD測(cè)量時(shí)，REF–引腳通常接地，因此圖2中的R4和C5無(wú)電流通過(guò)，可將其移除。 C4和C6并聯(lián)一起。 由于C4遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C6，因此可忽略。 最后便可得到簡(jiǎn)單的模擬前端電路，如圖7所示。

圖7. 用于RTD測(cè)量的ADuCM360模擬前端電路。

       表1列出了模擬和參考輸入路徑前具有匹配和不匹配濾波器時(shí)的噪聲水平。 使用100 ?精密電阻代替RRTD，以測(cè)量ADC輸入引腳上的噪聲電壓。 RRef的值為5.62 k?。

表1. 噪聲測(cè)試結(jié)果

       從表1我們可以看出，使用R1和R2的值與R3相同的匹配模擬前端電路時(shí)，噪聲與不匹配電路相比降低約0.1 μV至0.3 μV，這意味著ADC無(wú)噪聲位的數(shù)量增加約0.25位至16.2位，ADC PGA增益為16。

結(jié)論
       按照本文介紹的考慮因素，使用匹配RC濾波器電路和根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求選擇合適的電阻和電容值，比率式測(cè)量應(yīng)用中的RTD能夠獲得最佳的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)
CN-0381電路筆記。 “采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4線(xiàn)RTD測(cè)量系統(tǒng)”。 ADI公司 
CN-0267電路筆記。 “具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀表”。 ADI公司
Barry Zhang [barry.zhang@analog.com]是ADI中國(guó)北京公司的一名應(yīng)用工程師。 他于2011年加入ADI公司，就職于集成精密解決方案部。 在加入ADI前，他曾在Rigol和Putian擔(dān)任硬件工程師。 2006年，Barry獲得了北京科技大學(xué)的機(jī)械電子工程碩士學(xué)位。
Alex Buda是[alex.buda@analog.com]是ADI公司精密解決方案部的一名應(yīng)用工程師。 他于2012年加入ADI公司，之后便一直在從事精密模擬微控制器方面的工作。 Alex畢業(yè)于2012年，擁有愛(ài)爾蘭國(guó)立梅努斯大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)一級(jí)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位。 作為學(xué)位課程的一部分，他在ADI公司集成精密解決方案部實(shí)習(xí)了六個(gè)月。