设计说明

本指导设计介绍了如何使用 ADS124S08 实现四线 RTD 温度测量。此设计针对 PT100 型 RTD 使用比例式测量，温度测量范围为 –200°C 至 850°C。在所有 RTD 接线配置中，四线 RTD 测量是精度最高的，因为引线电阻对测量没有影响。该设计包含 ADC 配置寄存器设置和用于配置和读取器件的伪代码。此电路可用于 PLC 模拟输入模块、实验室仪表 和工厂自动化 等应用。更多有关使用各种 RTD 接线配置进行精确 ADC 测量的信息，请参阅《RTD 测量基本指南》。

元件选型

1. 确定 RTD 的工作范围。

   例如，如果温度测量范围为 −200°C 至 850°C，那么 PT100 RTD 的测量范围约为20Ω至400Ω。基准电阻器必须大于最大 RTD 值。基准电阻和 PGA 增益决定了测量的正满度范围。

2. 确定 IDAC 激励电流和基准电阻器的值。

   在此设计中，IDAC 电流源通过引线 1 驱动 RTD。电流通过引线 4 离开 RTD 并且通过 R_REF 进行分流，以进行比例式测量。通过 ADC 在引线 2 和引线 3 之间进行测量，形成开尔文连接，以消除引线电阻误差。4 线 RTD 测量具有此四端检测，因而是最精确的 RTD 接线配置。

   该设计中的激励电流源选择为 1mA。这可以更大程度地增大 RTD 电压的值，同时使 RTD 的自热较低。对于小型薄膜元件，RTD 自热系数的典型范围为 2.5mW/°C，对于较大的线绕元件，该范围为 65mW/°C。在最大 RTD 电阻值下激励电流为 1mA 时，RTD 中的功耗小于 0.4mW，并将自热导致的测量误差保持在 0.01°C 以内。

   在选择 IDAC 电流强度之后，设置 R_REF = 1620Ω。这会将基准设为 1.62V，最大 RTD 电压为 400mV。基准电压充当电平转换，以使输入测量接近中位电压，从而使测量处于 PGA 输入工作范围之内。使用这些值，PGA 增益可以设置为 4，以便最大 RTD 电压接近正满度范围而不超过它。

   基准电阻器 R_REF 必须是具有高精度和低漂移的精密电阻器。R_REF 中的任何误差都反映了 RTD 测量中的相同误差。所示出的 REFP0 和 REFN0 引脚作为开尔文连接与 R_REF 电阻器相连，以获得最佳的基准电压测量值。这消除了作为基准电阻测量误差的一切串联电阻。

   在使用最大 RTD 电阻的情况下，可以使用以下内容来计算 ADC 输入电压：

   V_AIN1 = I_IDAC1 × (R_RTD + R_REF) = 1mA × (400Ω + 1620Ω) = 2.02V
   V_AIN2 = I_IDAC1 × R_REF = 1mA × 1620Ω = 1.62V
   V_INMAX = 1mA × 400Ω = 400mV
3. 验证设计是否处于 ADC 的工作范围之内。

   首先，假设增益为 4，AVDD 为 3.3V，AVSS 为 0V 时，验证 V_AIN1 和 V_AIN2 是否在 PGA 的输入范围内。如 ADS124S0x 具有 PGA 和电压基准的低功耗、低噪声、高集成度、6 通道和 12 通道、4kSPS、24 位 Δ-Σ ADC 数据表中所示，绝对输入电压必须满足以下条件：

   AVSS + 0.15V + [|V_INMAX| × (Gain − 1) ÷ 2] < V_AIN1, V_AIN2< AVDD − 0.15V − [|V_INMAX| (Gain − 1) ÷ 2]
   0V + 0.15V + [|V_INMAX| × (Gain − 1) ÷ 2] < V_AIN1, V_AIN2 < 3.3V − 0.15V − [|V_INMAX| (Gain − 1) ÷ 2]
   0.75 < V_AIN1, V_AIN2 < 2.55V

   由于 AIN1 和 AIN2 的最大和最小输入电压（2.02V 和 1.62V）介于 0.75V 和 2.55V 之间，因此输入处于 PGA 工作范围之内。

   其次，验证 IDAC 输出引脚上的电压是否处于电源顺从电压范围之内。IDAC 引脚是 AIN0，其电压与 AIN1 相同。在最大电压下，V_AIN0 为 2.02V。如 ADS124S0x 具有 PGA 和电压基准的低功耗、低噪声、高集成度、6 通道和 12 通道、4kSPS、24 位 Δ-Σ ADC 数据表中的“电气特性”表所示，对于 1mA 的 IDAC 电流，IDAC 的输出电压必须介于 AVSS 和 AVDD − 0.6V 之间。在该示例中，当 AVDD = 3.3V 时，IDAC 输出必须满足：

   AVSS < V_AIN0= V_AIN1 < AVDD − 0.6V
   0V < V_AIN0 < 2.7V

   结合以上的结果，IDAC 的输出顺从性可得到满足。

4. 为 ADC 输入和基准输入选择差分和共模滤波值。

   此设计包含差分和共模输入 RC 滤波。差分输入滤波的带宽设置为至少比 ADC 的数据速率高 10 倍。共模电容器选择为差分电容器值的 1/10。由于电容器的选择，共模输入滤波的带宽比差分输入滤波带宽大约高 20 倍。虽然串联滤波电阻器会提供一定程度的输入保护，但应使输入电阻器保持低于 10kΩ，以便为 ADC 提供适当的输入采样。

   在进行输入滤波的情况下，差分信号以低于共模信号的频率衰减，共模信号会被器件的 PGA 显著抑制。共模电容器的失配会导致非对称噪声衰减，表现为差分输入噪声。当差分信号的带宽较低时，可降低输入共模电容器失配的影响。ADC 输入和基准输入的输入滤波是针对相同的带宽进行设计的。

   在此设计中，采用 ADS124S08 的低延迟滤波器将数据速率选择为 20SPS。这种滤波提供了具有单周期稳定和抑制 50Hz 和 60Hz 线路噪声能力的低噪声测量。对于 ADC 输入滤波，通过以下公式近似计算差分滤波和共模滤波的带宽频率。

   f_{IN_DIFF} = 1 ÷ [2 × π × C_{IN_DIFF} (R_RTD + 2 × R_IN)]
   f_{IN_CM} = 1 ÷ [2 × π × C_{IN_CM} (R_RTD + R_IN + R_REF)]

   对于 ADC 输入滤波，R_IN = 4.99kΩ，C_{IN_DIFF} = 47nF，C_{IN_CM} = 4.7nF。这将差分滤波器带宽设置为 330Hz，将共模滤波器带宽设置为 5kHz。

   通过以下公式近似计算基准输入滤波的带宽。

   f_REF = 1 ÷ [2 × π × C_REF × (R_REF + R_{IN_REF})]

   对于基准输入滤波，R_{IN_REF} = 3.16kΩ，C_{REF_DIFF} = 100nF。这将基准滤波器带宽设置为 330Hz。由于 REFN0 设置为接地，因此去除了共模滤波。可能无法匹配 ADC 输入和基准输入滤波。然而，保持带宽接近可以减少测量中的噪声。

   有关输入滤波的元件选择的深入分析，请参阅使用 ADS1148 和 ADS1248 系列器件进行 RTD 比例式测量和滤波 应用报告。

测量转换

RTD 测量通常是比例式测量。使用比例式测量，无需将 ADC 输出代码转换为电压。这意味着输出代码仅作为基准电阻器的比率给出测量值，无需激励电流的精确值。唯一的要求是流经 RTD 和基准电阻器的电流相同。

下面显示了针对 24 位 ADC 的测量转换公式：

ADC 将测量值转换为 RTD 等效电阻。由于 RTD 响应的非线性，电阻到温度的转换需要通过公式或查找表进行计算。更多有关 RTD 电阻到温度转换的信息，请参阅《RTD 测量基本指南》。

寄存器设置

伪代码示例

下面显示了伪代码序列以及设置器件和与 ADC 接口的微控制器，以便在连续转换模式下从 ADS124S0x 获取后续读数。专用的 DRDY 引脚指示新转换数据的可用性。在使用 STATUS 字节和 CRC 数据验证的情况下显示伪代码。ADS124S08 固件示例代码可从 ADS124S08 米6体育平台手机版_好二三四文件夹中获得。

Configure microcontroller for SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1)
Configure microcontroller GPIO for /DRDY as a falling edge triggered interrupt input
Set CS low;
Send 06;// RESET command to make sure the device is properly reset after power-up
Set CS high;
Set CS low;// Configure the device
Send 42// WREG starting at 02h address
05// Write to 6 registers
12// Select AINP = AIN1 and AINN = AIN2
0A// PGA enabled, Gain = 4
14// Continuous conversion mode, low-latency filter, 20-SPS data rate
12// Positive reference buffer enabled, negative reference buffer disabled
  // REFP0 and REFN0 reference selected, internal reference always on
07// IDAC magnitude set to 1 mA
F0;// IDAC1 set to AIN0, IDAC2 disabled
Set CS high;
Set CS low; // For verification, read back configuration registers
Send 22// RREG starting at 02h address
05// Read from 6 registers
00 00 00 00 00 00;// Send 6 NOPs for the read
Set CS high;
Set CS low;
Send 08;// Send START command to start converting in continuous conversion mode;
Set CS high;
Loop
{
Wait for DRDY to transition low;
Set CS low;
Send 12// Send RDATA command
00 00 00;// Send 3 NOPs (24 SCLKs) to clock out data
Set CS high;
}
Set CS low;
Send 0A;//STOP command stops conversions and puts the device in standby mode;
Set CS to high;

RTD 电路比较表

设计中采用的器件