设计说明

本指导设计介绍了如何使用 ADS124S08 对具有低侧基准的三线 RTD 进行温度测量。与进行单次测量的具有低侧基准和两个 IDAC 电流源的三线 PT100 RTD 测量电路 相比，本设计使用单个 IDAC 激励电流源并进行二次测量以消除引线电阻误差。本设计对 温度测量范围为 –200°C 至 850°C的PT100型的RTD进行比率测量。本设计包括设置ADC配置寄存器、配置伪代码和从设备中读取信息。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》。

设计注意事项

1. 模拟和数字电源均使用电源去耦电容。AVDD必须与至少为 330nF 的电容器解耦到AVSS。DVDD和IOVDD（在未连接到DVDD时）必须与至少为 0.1µF 的电容器解耦到DGND。有关电源相关建议的详细信息，请参阅《具有 PGA 和电压基准的 ADS124S0x 低功耗、低噪声、高集成度、6 /12 通道、 4kSPS 、24 位 Δ-Σ ADC》 数据表。
2. 不要使用与 ADC 输入和 IDAC 电流源输出相同的引脚使激励电流流过输入滤波电阻器。与串联电阻发生反应的激励电流会增加测量误差。
3. REFOUT 和 REFCOM 之间需要一个 1µF 电容器，以启用 IDAC 电流的内部基准。
4. 使用具有高精度和低漂移的精密基准电阻器。由于测量是比率式的，因此精度取决于该基准电阻器的误差。0.01% 的电阻器会产生与ADC类似 的增益误差。
5. 如果可能，使用 C0G (NPO) 陶瓷电容器进行输入滤波。这些电容器中使用的电介质在电压、频率和温度变化时提供最稳定的电气性能。
6. 使用标准电容器值和 1% 电阻器值选择 ADC 输入和基准输入的输入滤波。《使用 ADS1148 和 ADS1248 系列器件进行 RTD 比率测量和滤波》 中提供了这些滤波器的设计示例和分析。
7. 该设计显示了与 ADC 多路复用器的四个输入引脚的连接。其余的模拟输入可用于 RTD、热电偶或其他测量。
8. 三线RTD测量比同类的两线 RTD 测量更精确，而且比使用匹配的 IDAC 电流源的三线 RTD 具有更好的抗IDAC 电流失配性能。有关其他 RTD 接线配置的测量，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。

   首先进行该设计，使激励电流驱入 RTD 引线 1、流经 RTD 再通过引线 3 流出 RTD。此时，忽略引线电阻误差，这样从 AIN1 到 AIN2 的测量仅测量 RTD 电阻。

   该设计中的激励电流源选择为 1mA。这可以最大程度地增大 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。

   使用最大 RTD 电阻，ADC 输入电压按以下公式计算。该计算中，可以忽略微小的引线电阻。

   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《具有 PGA 和电压基准的 ADS124S0x 低功耗、低噪声、高集成度、6 /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]
   0.75V < 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《具有 PGA 和电压基准的 ADS124S0x 低功耗、低噪声、高集成度、6 /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

   结合之前的结果，满足IDAC 的输出顺从性。

4. 使用两种不同的测量方法来测量 RTD 电阻，消除引线电阻误差。

   ADC 的第一次测量是在 AIN1 和 AIN2上测量的，包括引线电阻。

   Measurement 1 = V_AIN1 – V_AIN2 = I_IDAC1 • (R_RTD + R_LEAD1)

   由于 IDAC 电流不通过引线 2，其电阻不在测量范围内。然后，将ADC 的输入多路复用器设置为对 AIN2 和 AIN3 进行第二次测量。这样，测量了引线 3 电阻两端之间的压降。

   Measurement 2 = V_AIN2 – V_AIN3 = I_IDAC1 • R_LEAD3

   从测量 1 中减去测量 2，得出以下结果。

   Measurement 1 – Measurement 2 = [I_IDAC1 • (R_RTD + R_LEAD1)] – (I_IDAC1 • R_LEAD3)

   如果引线电阻相等，则引线电阻误差消失以获得最终结果。

   Measurement 1 – Measurement 2 = I_IDAC1 • R_RTD
5. 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 比率测量和滤波》。

测量转换

RTD 测量通常是比率测量。使用比率测量，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。

显示了 24 位 ADC 的测量转换公式。首先，显示测量 1 的结果。

然后，显示测量 2 的结果。

假设引线电阻相等，则测量 1 减去测量 2 的结果，得到等效的 RTD 电阻。

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 命令确保器件在上电后正确复位
Set CS high;
Set CS low;// 配置器件
Send 42// WREG 起始地址为 02h
05// 写入 6 个寄存器
12// 选择 AINP = AIN1，AINN = AIN2
0A// 启用 PGA，增益 = 4
14// 连续转换模式，低延迟滤波器，20SPS 数据速率
12// 启用正基准缓冲器，禁用负基准缓冲器
  // 选择 REFP0 和 REFN0 基准，始终开启内部基准07// IDAC 大小设置为 1mA
F0;// IDAC1 设置为 AIN0，禁用 IDAC2
Set CS high;
Set CS low; // 为了验证，回读配置寄存器
Send 22// RREG 起始地址为 02h
05// 从 6 个寄存器中读取
00 00 00 00 00 00;// 发送 6 个 NOP 进行读取
Set CS high;
Set CS low;
Send 08;// 发送 START 命令以在连续转换模式下转换
Set CS high;
Loop
{
Set CS low;// 配置器件用于测量1
Send 42// WREG 起始地址为 02h
00// 写入 1 个寄存器
12;// 选择 AINP = AIN1，AINN = AIN2
Set CS high;
等待DRDY转低;
Set CS low;
Send 12// 发送 RDATA 命令
00 00 00;// 发送 3 个 NOP（24 个 SCLK）到时钟输出数据
Set CS high;
Set CS low;// 配置器件用于测量2
Send 42// WREG 起始地址为 02h
00// 写入 1 个寄存器
23;// 选择 AINP = AIN2，AINN = AIN3
Set CS high;
等待DRDY转低;
Set CS low;
Send 12// 发送 RDATA 命令
00 00 00;// 发送 3 个 NOP（24 个 SCLK）到时钟输出数据
Set CS high;
测量1减去测量2;// 消除引线电阻误差
}
Set CS low;
Send 0A;//STOP 命令用于停止转换并将器件置于待机模式
Set CS to high;

RTD 电路比较表

设计精选器件

设计参考资料

有关TI综合电路库的信息，请参阅《模拟工程师电路手册》。

附加资源

• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，ADS124S08 评估模块
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，《ADS1x4S08 评估模块用户指南》
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，ADS1x4S08 固件示例代码
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，《RTD 测量基本指南》
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，《使用 ADS1148 和 ADS1248 系列器件进行 RTD 比率测量和滤波》

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