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不懂模擬電路設(shè)計?如何完成溫度信號采集?

2023-01-26
來源:江師大電信小希

  溫度傳感電路是許多工業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分,在溫度傳感元件之中,金屬鉑制成的熱電阻PT100可保證長期穩(wěn)定性,寬溫度范圍內(nèi)最精確。本文介紹幾種PT100采集電路方案,分析精密溫度采集電路的設(shè)計要點。

  常規(guī)的電路方案

  1. 使用ADI和TI公司的高集成ADC芯片完成采集。電路需要少量的外圍無源元件,先從ADC讀取采樣值,再在MCU中進(jìn)行查表換算,將采樣值換算成溫度值。

  2. 使用國產(chǎn)的信號鏈芯片自行搭建。隨著國內(nèi)基礎(chǔ)模擬信號鏈芯片的日益完善,考慮使用國產(chǎn)器件完成同等性能的電路,如圖1。這樣能降低物料供應(yīng)鏈的風(fēng)險、進(jìn)一步優(yōu)化成本,實現(xiàn)溫度采集,這類基礎(chǔ)物理量采集電路的自主可控。圖1電路主要由24位SD型ADC、運放、模擬開關(guān)、LDO、MCU等組成,這些基礎(chǔ)元件的國產(chǎn)芯片已經(jīng)成熟可用,并且有可替換的國產(chǎn)型號。

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  圖1 國產(chǎn)信號鏈搭建的電路方案

  搭建精密溫度采集電路的要點

  1. 使用比率法測量。電路實現(xiàn)如圖2,測量精度和穩(wěn)定性在理論上只與精密參考電阻相關(guān),能夠避開國產(chǎn)24位ADC器件自身增益誤差、增益漂移等的不完美。

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  圖2 比率法測量電路

  上述電路 IEXC為激勵電流源,VRTD是PT100兩端的電壓值,VREF是ADC基準(zhǔn)輸入端的電壓值,有如下兩個表達(dá)式。

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  合并之后,得到 RRTD的表達(dá)式。

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  CodeRTD是ADC采集RTD兩端電壓得到的二進(jìn)制代碼,Codefull_scales是ADC滿量程時的二進(jìn)制代碼,從 RRTD表達(dá)式可以看到, RRTD測量值僅與Code的比率值和精密參考電阻相關(guān)。當(dāng)使用10ppm電阻做為參考電阻時,該比率測量電路可以獲得10ppm左右的測量電路溫漂性能,卻不需要精密電壓基準(zhǔn)。

  2. 考慮出廠校準(zhǔn)。在比率法中,精密參考電阻決定(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)了整體電路的增益誤差,精密電阻自身精確度一般為0.1%,并且比率法不能修正ADC的失調(diào)電壓誤差。當(dāng)需要獲得0.1%及更高的電路精確度時,需要對電路進(jìn)行出廠校準(zhǔn)。

  3. 抗工頻干擾。PT100測量電路是典型的低速精密模擬電路,1mA激勵時,傳感元件兩端的電壓值約在300mV以下,容易受到50Hz工頻干擾信號影響,需要對采集數(shù)據(jù)做陷波或濾波處理。

  4. 驗證工作環(huán)境溫度和EMC性能。搭建好的整體測量電路,需要在-40~+85℃環(huán)境溫度下,驗證實際測量精度和漂移;驗證ESD靜電放電和EFT群脈沖干擾環(huán)境下的工作穩(wěn)定性,以滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的可靠性要求。

  ZAM6222兩路熱電阻采集模塊

  ZAM6222是一款針對PT100的工業(yè)雙通道熱電阻測溫模塊,基于國產(chǎn)基礎(chǔ)信號鏈元件和比率法進(jìn)行設(shè)計,已集成完整的精密溫度測量信號鏈路,圖3為其內(nèi)部框圖。ZAM6222出廠基于Fluke5522A校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)體系進(jìn)行校準(zhǔn),溫度檢測精度可達(dá)0.02%±0.1℃,溫度測量范圍-200~800℃,電路溫漂最大15ppm。模塊支持50Hz工頻干擾抑制功能,整體電路經(jīng)過-40~+85℃環(huán)境溫度下的測量精度和溫漂驗證,支持4000V的ESD和1000V的EFT性能。

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  圖3 ZAM6222內(nèi)部框圖

  ZAM6222內(nèi)部完成溫度查表轉(zhuǎn)換,可以通過 I2C接口直接讀取以“℃”為單位的測溫數(shù)據(jù)。用該模塊實現(xiàn)兩路PT100熱電阻溫度采集的典型電路如圖4,可見外圍電路簡潔。相對于電路設(shè)計、調(diào)試、校準(zhǔn)和驗證的時間和設(shè)備投入,ZAM6222提供了免復(fù)雜設(shè)計、免復(fù)雜調(diào)試、直接讀取溫度值的簡潔方案。

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  圖4 ZAM6222典型應(yīng)用電路



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