Die Ingenieurin

Jellenie Rodriguez, Anwendungsingenieurin und Mary McCarthy, Anwendungsingenieurin, Analog Devices.

In diesem Artikel werden die Geschichte und die Designherausforderungen beim Entwurf eines Temperaturmesssystems auf Basis eines Widerstandstemperaturdetektors (RTD) erläutert. Es behandelt auch RTD-Auswahl und Konfigurationskompromisse. Abschließend werden die Optimierung und Bewertung von FTE-Systemen detailliert beschrieben.

Die Temperaturmessung spielt eine wichtige Rolle in vielen verschiedenen Endanwendungen wie der industriellen Automatisierung, Instrumentierung, CbM und medizinischen Geräten. Ob es um die Überwachung von Umgebungsbedingungen oder die Korrektur der Systemabweichung geht, hohe Genauigkeit und Präzision sind sehr wichtig. Es gibt verschiedene Arten von Temperatursensoren, die verwendet werden können, z. B. Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), elektronische Bandlückensensoren und Thermistoren. Welcher Temperatursensor ausgewählt wird, hängt neben der Bauart auch vom zu messenden Temperaturbereich und der erforderlichen Genauigkeit ab. Für Temperaturen im Bereich von –200 °C bis +850 °C bieten RTDs eine hervorragende Kombination aus hoher Genauigkeit und guter Stabilität.

Zu den Herausforderungen gehören:

Bei einem Widerstandsthermometer variiert der Widerstand des Sensors in genau definierter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur. Die am häufigsten verwendeten RTDs sind Platin Pt100 und Pt1000, die in 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Konfigurationen erhältlich sind. Andere RTD-Typen bestehen aus Nickel und Kupfer.

RTD-Typ

Materialien

Reichweite

Pt100, Pt1000

Platin (numerisch ist der Widerstand bei 0°C)

–200°C bis +850°C

Pt200, Pt500

Platin (numerisch ist der Widerstand bei 0°C)

–200°C bis +850°C

Cu10, Cu100

Kupfer (numerisch ist der Widerstand bei 0°C)

–100°C bis +260°C

Ni120

Nickel (Zahl ist Widerstand bei 0°C)

–80°C bis +260°C

Die gebräuchlichsten Pt100-Widerstandsthermometer können zwei verschiedene Formen annehmen: drahtgewickelt und dünnschichtig. Jeder Typ wird nach mehreren standardisierten Kurven und Toleranzen gebaut. Die gebräuchlichste standardisierte Kurve ist die DIN-Kurve. DIN steht für „Deutsches Institut für Normung“.

Die Kurve definiert die Widerstands-Temperatur-Charakteristik eines Platin-100-Ω-Sensors, die standardisierten Toleranzen und den Betriebstemperaturbereich. Dies definiert die Genauigkeit des RTD beginnend mit einem Basiswiderstand von 100 Ω bei einer Temperatur von 0 °C. Es gibt verschiedene Standardtoleranzklassen für DIN-Widerstandsthermometer. Diese Toleranzen sind in Tabelle 2 aufgeführt und gelten auch für Pt1000-RTDs, die für Anwendungen mit geringer Leistung nützlich sind.

Sensorart

DIN-Klasse

Toleranz

Bei 0°C

Toleranz bei 50°C

Toleranz bei 100°C

Pt100 RTD

Dünner Film

Klasse b

±0,30°C

±0,55°C

±0,80°C

Pt100 RTD

Dünner Film

Klasse a

±0,15°C

±0,25°C

±0,35°C

Pt100 RTD

Drahtgewickelt/Dünnschicht

1/3 KlasseB

±0,1°C

±0,18°C

±0,27°C

Bei der Auswahl des RTD-Sensors müssen sowohl der RTD selbst als auch seine Genauigkeit berücksichtigt werden. Der Temperaturbereich variiert je nach Elementtyp und die bei der Kalibrierungstemperatur (normalerweise bei 0 °C) angegebene Genauigkeit variiert mit der Temperatur. Daher ist es wichtig, den zu messenden Temperaturbereich zu definieren und zu berücksichtigen, dass jede Temperatur unterhalb oder oberhalb der Kalibrierungstemperatur eine größere Toleranz und eine geringere Genauigkeit aufweist.

RTDs werden nach ihrem Nennwiderstand bei 0 °C kategorisiert. Ein Pt100-Sensor hat einen Temperaturkoeffizienten von ca. 0,385 Ω/°C und ein Pt1000 hat einen um den Faktor 10 größeren Temperaturkoeffizienten als der Pt100. Viele Systemdesigner verwenden diese Koeffizienten, um einen ungefähren Widerstand gegen die Temperaturverschiebung zu erhalten, aber die Callendar-Van-Dusen-Gleichungen liefern eine genauere Übersetzung.

Die Gleichung für die Temperatur t ≤ 0°C lautet

Die Gleichung für die Temperatur t ≥ 0°C lautet

Wo:

t ist die RTD-Temperatur (°C)

RRTD(t) ist der RTD-Widerstand bei der Temperatur (t)

R0 ist der RTD-Widerstand bei 0 °C (in diesem Fall R0 = 100 Ω)

A = 3,9083 × 10−3

B = −5,775 × 10−7

C = −4,183 × 10−12

Ein weiterer Sensorparameter, der bei der Auswahl eines RTD berücksichtigt werden muss, ist seine Verdrahtungskonfiguration, die sich auf die Systemgenauigkeit auswirkt. Auf dem Markt sind drei verschiedene RTD-Verkabelungskonfigurationen erhältlich, wobei jede Konfiguration Vor- und Nachteile gegenüber der anderen hat und möglicherweise unterschiedliche Techniken zur Reduzierung des Messfehlers erfordert.

Eine 2-Draht-Konfiguration ist die einfachste, aber auch die ungenaueste Konfiguration, da Fehler im Leitungswiderstand und dessen Variation mit der Temperatur zu erheblichen Messfehlern führen. Daher ist diese Konfiguration nur bei Anwendungen sinnvoll, bei denen die Anschlussdrähte kurz sind oder wenn ein Sensor mit hohem Widerstand (z. B. Pt1000) verwendet wird, da beides die Auswirkungen des Leitungswiderstands auf die Genauigkeit minimiert.

Die 3-Draht-Konfiguration ist die am häufigsten verwendete Konfiguration, da die Verwendung von drei Stiften den Vorteil bietet, was bei Konstruktionen nützlich ist, bei denen die Steckergröße minimiert ist (drei Anschlussklemmen erforderlich gegenüber der 4-Draht-Klemme für einen 4-Draht-RTD). Die 3-Draht-Konfiguration bietet außerdem eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit gegenüber der 2-Draht-Konfiguration. Der Fehler des Leitungswiderstands bei 3-Leiter-Anschlüssen kann mithilfe verschiedener Kalibrierungstechniken kompensiert werden, die später in diesem Artikel behandelt werden.

4-Draht ist die teuerste, aber genaueste Konfiguration. In dieser Konfiguration werden die Fehler aufgrund des Leitungswiderstands sowie der Auswirkungen von Temperaturschwankungen beseitigt. Daher führt eine 4-Draht-Konfiguration zu der besten Leistung.

Eine hochpräzise und genaue RTD-Sensormessung erfordert eine präzise Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandlung, Linearisierung und Kalibrierung. Der typische Entwurf eines RTD-Messsystems besteht aus den verschiedenen Stufen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Obwohl die Signalkette einfach und unkompliziert aussieht, spielen mehrere komplexe Faktoren eine Rolle, und Designer müssen komplexe Komponentenauswahl, Verbindungsdiagramm, Fehleranalyse und andere Analogien berücksichtigen Herausforderungen bei der Signalkonditionierung, die sich aufgrund der höheren Anzahl beitragender Blöcke auf die Gesamtgröße der Systemplatine und die Kosten der Stückliste (BOM) auswirken.

Positiv zu vermerken ist, dass im Portfolio von ADI zahlreiche integrierte Lösungen verfügbar sind. Diese komplette Systemlösung hilft Designern, ihre Designs zu vereinfachen und gleichzeitig die Platinengröße, die Markteinführungszeit und die Kosten des gesamten RTD-Messsystems zu reduzieren.

Abbildung 1. RTD-Verkabelungskonfigurationen.

Abbildung 2. Typischer RTD-Messsignalkettenblock

Für die drei RTD-Verkabelungskonfigurationen sind unterschiedliche Verdrahtungstechniken erforderlich, um einen RTD zusammen mit den anderen externen Komponenten mit einem ADC zu verbinden oder zu verbinden, und es gelten unterschiedliche Anforderungen des ADC, wie etwa Erregerstrom und ein flexibler Multiplexer. In diesem Abschnitt geht es um ein tieferes Verständnis und einen Schwerpunkt auf die einzelnen RTD-Konfigurationsschaltungsdesigns und Überlegungen.

Sigma-Delta (Σ-Δ) ADCs bieten zahlreiche Vorteile beim Entwurf von RTD-Systemen. Erstens wird die externe Filterung minimiert, da Sigma-Delta-ADCs den analogen Eingang überabtasten, wobei lediglich ein einfacher RC-Filter erforderlich ist. Sie bieten Flexibilität hinsichtlich der Wahl des Filtertyps und der Wahl der Ausgangsdatenrate. Durch die eingebaute digitale Filterung können bei netzbetriebenen Designs jegliche Störungen aus der Netzstromversorgung unterdrückt werden. 24-Bit-ADCs mit hoher Auflösung wie der AD7124-4/AD7124-8 haben eine Spitze-zu-Spitze-Auflösung von maximal 21,7 Bit. Weitere Vorteile sind

Einige Sigma-Delta-ADCs sind hochintegriert und umfassen

Sie vereinfachen das RTD-Design erheblich und reduzieren gleichzeitig die Stückliste, die Systemkosten, den Platinenplatz und die Markteinführungszeit.

In diesem Artikel wird der AD7124-4/AD7124-8 als ADC verwendet. Hierbei handelt es sich um rauscharme, stromsparende Präzisions-ADCs mit integriertem PGA, Erregerströmen, analogem Eingang und Referenzpuffern.

Eine ratiometrische Konfiguration ist eine geeignete und kostengünstige Lösung für Systeme, die Widerstandssensoren wie RTDs oder Thermistoren verwenden. Beim aratiometrischen Ansatz werden die Referenz- und Sensorspannungen von derselben Anregungsquelle abgeleitet. Daher muss die Anregungsquelle nicht genau sein.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer ratiometrischen Konfiguration in einer 4-Draht-RTD-Anwendung. Ein konstanter Erregerstrom versorgt den RTD und einen Präzisionswiderstand RREF, wobei die über RREF erzeugte Spannung die Referenzspannung für die RTD-Messung ist. Jede Variation des Erregerstroms hat keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung. Daher ermöglicht die Verwendung eines ratiometrischen Ansatzes die Verwendung eines verrauschteren, weniger stabilen Erregerstroms. Ein Erregerstrom wird aufgrund seiner besseren Störfestigkeit gegenüber einer Spannungserregung bevorzugt. Die wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl eines Anregungsquellenwerts zu berücksichtigen sind, werden später in diesem Artikel erläutert.

Abbildung 3. Ratiometrische 4-Draht-RTD-Messung.

Viele Entwickler von RTD-Systemen verwenden Sigma-Delta-ADCs mit integriertem Multiplexer und Erregerströmen, die Mehrkanalmessungen und eine flexible Weiterleitung der Erregerströme zu jedem Sensor ermöglichen. Ein ADC wie der AD7124 ermöglicht es, dass ein einzelner Pin gleichzeitig als Erregerstrom und als analoger Eingangspin fungiert (siehe Abbildung 4). Für die gemeinsame Nutzung der Pins zwischen IOUT und AIN sind nur zwei Pins pro 3-Draht-RTD-Sensor erforderlich, was die Kanalanzahl erhöht. Allerdings kann in dieser Konfiguration ein großer Wert des Widerstands R bei der Antialiasing- oder elektromagnetischen Interferenzfilterung (EMI) Fehler zum RTD-Widerstandswert hinzufügen, da R in Reihe mit dem RTD liegt – daher können begrenzte R-Werte verwendet werden. Aus diesem Grund wird normalerweise empfohlen, für jede Erregerstromquelle einen eigenen Pin zu verwenden, um mögliche Fehler bei RTD-Messungen zu vermeiden.

Abbildung 4. 3-Draht-RTD mit einem gemeinsamen IOUT/AIN-Pin.

Eine 4-Draht-RTD-Konfiguration bietet die beste Leistung. Das einzige Problem, mit dem Systementwickler konfrontiert sind, sind die Kosten des Sensors selbst und die Größe des 4-Pin-Steckers im Vergleich zu den beiden anderen Konfigurationen. In dieser Konfiguration werden die durch die Zuleitungsdrähte verursachten Fehler automatisch durch die Rückleitungsdrähte beseitigt.

Eine 4-Draht-Konfiguration nutzt die Kelvin-Erfassung mit zwei Drähten, um den Erregerstrom zum und vom RTD zu übertragen, während die verbleibenden zwei Drähte den Strom über das RTD-Element selbst messen. Fehler aufgrund des Leitungswiderstands werden automatisch beseitigt. Eine 4-Draht-Konfiguration erfordert nur einen Erregerstrom IOUT, wie in Abbildung 5 dargestellt. Drei analoge Pins vom ADC werden verwendet, um eine einzelne 4-Draht-RTD-Konfiguration zu implementieren: ein Pin für Erregerstrom, IOUT und zwei Pins als vollständiger Differenzeingangskanal (AINP und AINM), der zum Erfassen der Spannung am RTD verwendet wird.

Wenn das Design mehrere 4-Draht-RTDs verwendet, kann eine einzelne Erregerstromquelle verwendet werden, wobei der Erregerstrom zu den verschiedenen RTDs im System geleitet wird. Durch die Platzierung des Referenzwiderstands auf der unteren Seite des RTD kann ein einzelner Referenzwiderstand alle RTD-Messungen unterstützen; das heißt, der Referenzwiderstand wird von allen RTDs gemeinsam genutzt.

Beachten Sie, dass der Referenzwiderstand auf der High- oder Low-Side platziert werden kann, wenn der Referenzeingang des ADC über einen großen Gleichtaktbereich verfügt. Für einen einzelnen 4-Draht-RTD kann also entweder der Referenzwiderstand auf der High-Side oder der Low-Side verwendet werden. Wenn jedoch mehrere 4-Draht-RTDs in einem System verwendet werden, ist die Platzierung des Referenzwiderstands auf der unteren Seite von Vorteil, da ein Referenzwiderstand von allen RTDs gemeinsam genutzt werden kann. Beachten Sie, dass einige ADCs Referenzpuffer enthalten.

Diese Puffer erfordern möglicherweise einen gewissen Headroom-Widerstand. Wenn der Puffer aktiviert ist, ist daher ein Headroom-Widerstand erforderlich. Durch die Aktivierung des Puffers kann eine robustere Filterung an die Referenzpins angeschlossen werden, ohne dass es zu Fehlern wie Verstärkungsfehlern im ADC kommt.

Die 2-Draht-RTD-Konfiguration ist die einfachste Konfiguration und wird in Abbildung 6 dargestellt. Für die 2-Draht-Konfiguration ist nur eine Erregerstromquelle erforderlich. Somit werden drei analoge Pins des ADC verwendet, um eine einzelne 2-Draht-RTD-Konfiguration zu implementieren: ein Pin für den Erregerstrom, IOUT, und zwei Pins als vollständig differenzieller Eingangskanal (AINP und AINM), der zum Erfassen der Spannung am RTD verwendet wird .

Wenn das Design mehrere 2-Draht-RTDs verwendet, kann eine einzelne Erregerstromquelle verwendet werden, wobei der Erregerstrom zu den verschiedenen RTDs im System geleitet wird. Durch die Platzierung des Referenzwiderstands auf der unteren Seite des RTD gemäß der 4-Draht-Konfiguration kann ein einziger Referenzwiderstand alle RTD-Messungen unterstützen; das heißt, der Referenzwiderstand wird von allen RTDs gemeinsam genutzt.

Die 2-Draht-Konfiguration ist die ungenaueste der drei verschiedenen Verdrahtungskonfigurationen, da der tatsächliche Widerstand am Messpunkt sowohl die Widerstände des Sensors als auch der Leitungsdrähte RL1 und RL2 umfasst und somit die Spannungsmessung am ADC erhöht.

Wenn der Sensor entfernt ist und das System ein sehr langes Kabel verwendet, sind die Fehler erheblich. Beispielsweise hat ein 25 Fuß langer Kupferdraht mit 24 AWG einen äquivalenten Widerstand von 0,026 Ω/Fuß (0,08 Ω/Meter) × 2 × 25 Fuß zu 1,3 Ω. Daher erzeugt ein Drahtwiderstand von 1,3 Ω aufgrund des Drahtwiderstands einen Fehler von (1,3/0,385) = 3,38 °C (ungefähr). Der Drahtwiderstand ändert sich auch mit der Temperatur, was zu einem zusätzlichen Fehler führt.

Abbildung 5. Konfigurationsmessungen für einzelne und mehrere 4-Draht-RTD-Analogeingänge.

Der erhebliche Fehler aufgrund der Leitungswiderstände der 2-Draht-RTD-Konfiguration kann durch die Verwendung einer 3-Draht-RTD-Konfiguration erheblich verbessert werden. In diesem Artikel verwenden wir einen zweiten Erregerstrom (dargestellt in Abbildung 7), um die durch RL1 und RL2 verursachten Leitungsdrahtwiderstandsfehler zu kompensieren. Somit werden vier analoge Pins des ADC verwendet, um eine einzelne 3-Draht-RTD-Konfiguration zu implementieren: zwei Pins für Erregerströme (IOUT0 und IOUT1) und zwei Pins als vollständig differenzieller Eingangskanal (AINP und AINM), der zum Erfassen der Spannung an ihnen verwendet wird die RTD.

Abbildung 6. Einzel- und Mehrfach-2-Draht-RTD-Analogeingangskonfigurationsmessung.

Abbildung 7. Einzel- und Mehrfach-3-Leiter-RTD-Analogeingangskonfigurationsmessung.

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen 3-Leiter-RTD-Schaltkreis zu konfigurieren. Methode 1 platziert den Referenzwiderstand auf der Oberseite, sodass der erste Erregerstrom IOUT0 zu RREF, RL1 und dann zu RTD fließt und der zweite Strom durch den Leitungswiderstand RL2 fließt und eine Spannung entwickelt, die den Spannungsabfall am Leitungswiderstand RL1 aufhebt.

Gut angepasste Erregerströme machen den Fehler aufgrund des Leitungswiderstands vollständig zunichte. Wenn die Erregerströme eine gewisse Diskrepanz aufweisen, wird die Auswirkung der Diskrepanz mit dieser Konfiguration minimiert. Derselbe Strom fließt zum RTD und zum RREF; Daher wirkt sich jede Nichtübereinstimmung zwischen den beiden IOUTs nur auf die Berechnung des Leitungswiderstands aus. Diese Konfiguration ist nützlich, wenn ein einzelner RTD gemessen wird.

Bei der Messung mehrerer 3-Leiter-RTDs wird ein Referenzwiderstand auf der Unterseite empfohlen (Methode 2), sodass nur ein einziger Referenzwiderstand verwendet werden kann, was die Gesamtkosten minimiert. Allerdings fließt in dieser Konfiguration ein Strom durch den RTD, während beide Ströme durch den Referenzwiderstand fließen.

Daher kann jede Nichtübereinstimmung von IOUT den Wert der Referenzspannung zusammen mit der Aufhebung des Leitungswiderstands beeinflussen. Wenn eine Nichtübereinstimmung des Erregerstroms vorliegt, weist diese Konfiguration einen größeren Fehler auf als Methode 1. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Nichtübereinstimmung und die Nichtübereinstimmungsdrift zwischen IOUT zu kalibrieren und so die Genauigkeit der zweiten Konfiguration zu verbessern. Zunächst erfolgt die Kalibrierung durch Zerhacken (Vertauschen) der Erregerströme, Durchführen einer Messung an jeder Phase und anschließendes Mitteln der beiden Messungen. Eine andere Lösung besteht darin, die tatsächlichen Erregerströme selbst zu messen und dann die berechnete Fehlanpassung zu verwenden, um die Fehlanpassung im Mikrocontroller auszugleichen. Weitere Details zu diesen Kalibrierungen werden in CN-0383 besprochen.

Wenn man sich die Probleme von Systemdesignern ansieht, gibt es unterschiedliche Herausforderungen bei der Gestaltung und Optimierung von RTD-Anwendungslösungen. Die erste Herausforderung ist die Sensorauswahl und das Anschlussdiagramm, die in den vorherigen Abschnitten besprochen wurden. Herausforderung zwei ist die Messkonfiguration, die die ADC-Konfiguration, die Einstellung des Erregerstroms, die Einstellung der Verstärkung und die Auswahl der externen Komponenten umfasst und gleichzeitig die Systemoptimierung und den Betrieb innerhalb der ADC-Spezifikation gewährleistet. Und schließlich ist die wichtigste Frage, wie die Zielleistung erreicht werden kann und welche Fehlerquellen zum Gesamtsystemfehler beitragen.

Glücklicherweise gibt es einen neuen RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, der eine praktische Lösung für den Entwurf und die Optimierung von RTD-Messsystemen vom Konzept bis zum Prototyping bietet.

Das Werkzeug

Das Tool basiert auf dem AD7124-4/AD7124-8. Es ermöglicht dem Kunden, Einstellungen wie Erregerstrom, Verstärkung und externe Komponenten anzupassen. Es zeigt außerhalb der Grenzen liegende Bedingungen an, um sicherzustellen, dass die endgültige Lösung innerhalb der Spezifikationen des ADC liegt.

Abbildung 8. RTD-Konfigurator.

Im Idealfall tendieren wir dazu, einen höheren Erregerstrom zu wählen, um eine viel höhere Ausgangsspannung zu erzeugen und den ADC-Eingangsbereich zu maximieren. Da es sich jedoch um einen Widerstandssensor handelt, muss der Konstrukteur auch sicherstellen, dass die Verlustleistung oder die Selbsterwärmungseffekte eines großen Erregerstroms die Messergebnisse nicht beeinträchtigen.

Ein Systementwickler kann einen hohen Erregerstrom wählen. Um die Eigenerwärmung zu minimieren, muss der Erregerstrom jedoch zwischen den Messungen abgeschaltet werden. Der Designer muss die zeitlichen Auswirkungen auf das System berücksichtigen. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen niedrigeren Erregerstrom zu wählen, der die Eigenerwärmung minimiert.

Das Timing ist jetzt minimiert, aber der Designer muss feststellen, ob die Systemleistung beeinträchtigt wird. Alle Szenarien können über den RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator getestet werden. Mit dem Tool kann der Benutzer die Auswahl von Erregerstrom, Verstärkung und externen Komponenten ausgleichen, um sicherzustellen, dass die analoge Eingangsspannung optimiert wird, und gleichzeitig die ADC-Verstärkung und -Geschwindigkeit anpassen, um eine bessere Auflösung und eine bessere Systemleistung zu erzielen, was weniger Rauschen und einen geringeren Offset-Fehler bedeutet .

Um das resultierende Filterprofil zu verstehen oder ein tieferes Verständnis über den Zeitpunkt der Konvertierungen zu erhalten, bietet das Online-Tool VirtualEval dieses Detail.

Der ADC-Eingang und die Referenzeingänge eines Sigma-Delta-ADC werden beide kontinuierlich von einem Schaltkondensator-Frontend abgetastet. Bei den besprochenen RTD-Systemen wird der Referenzeingang auch von einem externen Referenzwiderstand angesteuert. Für Antialiasing-Zwecke wird am analogen Eingang eines Sigma-Delta-ADC ein externer RC-Filter empfohlen.

Aus EMV-Gründen kann ein Systementwickler große R- und C-Werte sowohl am Analogeingang als auch am Referenzeingang verwenden. Große RC-Werte können zu Verstärkungsfehlern bei Messungen führen, da die Front-End-Schaltung nicht genügend Zeit hat, sich zwischen den Abtastzeitpunkten einzupendeln. Die Pufferung der Analog- und Referenzeingänge verhindert diese Verstärkungsfehler und ermöglicht die Verwendung unbegrenzter R- und C-Werte.

Beim AD7124-4/AD7124-8 werden bei Verwendung einer internen Verstärkung von mehr als 1 die analogen Eingangspuffer automatisch aktiviert, und da der PGA vor den Eingangspuffern platziert ist, ist der analoge Eingang aktiviert, da der PGA Rail-to-Rail ist auch Rail-to-Rail. Bei den Referenzpuffern oder bei Verwendung des ADC mit einer Verstärkung von 1 und aktivierten analogen Eingangspuffern muss jedoch sichergestellt werden, dass der für den korrekten Betrieb erforderliche Spielraum vorhanden ist.

Signale von Pt100s haben einen niedrigen Pegel. Sie liegen in der Größenordnung von Hunderten von mV. Für eine optimale Leistung kann ein ADC mit großem Dynamikbereich verwendet werden. Alternativ kann eine Verstärkungsstufe verwendet werden, um das Signal zu verstärken, bevor es an den ADC angelegt wird. Die AD7124-4/AD7124-8-Unterstützung erhöht sich von 1 auf 128 und ermöglicht so ein optimiertes Design für einen breiten Bereich von Erregerströmen. Die zahlreichen zulässigen Optionen der PGA-Verstärkung ermöglichen es dem Entwickler, den Wert des Erregerstroms gegenüber der Verstärkung, externen Komponenten und der Leistung abzuwägen. Das RTD-Konfigurator-Tool zeigt an, ob die neuen Erregerstromwerte mit dem ausgewählten RTD-Sensor verwendet werden können.

Geeignete Werte für den Präzisionsreferenzwiderstand und den Referenz-Headroom-Widerstand werden ebenfalls vorgeschlagen. Beachten Sie, dass das Tool sicherstellt, dass der ADC innerhalb der Spezifikation verwendet wird – es zeigt mögliche Gewinne an, die die Konfiguration unterstützen. Die Erregerströme des AD7124 haben eine Ausgangskonformität; Das heißt, die Spannung am Pin, die den Erregerstrom bereitstellt, benötigt einen gewissen Spielraum von AVDD. Das Tool stellt außerdem sicher, dass diese Compliance-Spezifikation eingehalten wird.

Mit dem RTD-Tool kann der Systementwickler ein System garantieren, das innerhalb der Betriebsgrenzen des ADC und des RTD-Sensors liegt. Die Genauigkeit der externen Komponenten wie des Referenzwiderstands und ihr Beitrag zum Systemfehler werden später besprochen.

Wie bereits erwähnt, wird bei Sigma-Delta-Konvertern ein Antialiasing-Filter empfohlen. Da der eingebettete Filter digital ist, spiegelt sich der Frequenzgang um die Abtastfrequenz herum wider. Eine Antialiasing-Filterung ist erforderlich, um Störungen bei der Modulatorfrequenz und bei beliebigen Vielfachen dieser Frequenz ausreichend zu dämpfen. Da Sigma-Delta-Wandler den analogen Eingang überabtasten, wird das Design des Antialiasing-Filters erheblich vereinfacht und es ist lediglich ein einfacher einpoliger RC-Filter erforderlich.

Wenn das endgültige System im Feld eingesetzt wird, kann der Umgang mit Rauschen oder Interferenzen aus der Umgebung, in der das System betrieben wird, eine große Herausforderung darstellen, insbesondere in Anwendungsbereichen wie der industriellen Automatisierung, Instrumentierung, Prozesssteuerung oder Leistungssteuerung, in denen Toleranz herrscht Es ist erforderlich, geräuscharm zu sein und gleichzeitig die benachbarten Komponenten nicht zu stören. Rauschen, Transienten oder andere Störquellen können die Genauigkeit und Auflösung des Systems beeinträchtigen.

Auch bei der Stromversorgung von Systemen über das Stromnetz kann es zu Störungen kommen. Die Frequenzen der Hauptstromversorgung werden in Europa bei 50 Hz und ihren Vielfachen und in den USA bei 60 Hz und ihren Vielfachen erzeugt. Daher muss beim Entwurf eines RTD-Systems eine Filterschaltung mit 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung in Betracht gezogen werden. Viele Systementwickler möchten ein universelles System entwerfen, das sowohl 50 Hz als auch 60 Hz gleichzeitig unterdrückt.

Die meisten ADCs mit geringerer Bandbreite, einschließlich AD7124-4/AD7124-8, bieten eine Vielzahl digitaler Filteroptionen, die so programmiert werden können, dass Kerben auf 50 Hz/60 Hz eingestellt werden. Die ausgewählte Filteroption wirkt sich auf die Ausgangsdatenrate, die Einschwingzeit und die 50-Hz- und 60-Hz-Unterdrückung aus. Wenn mehrere Kanäle aktiviert sind, ist bei jedem Kanalwechsel eine Einschwingzeit erforderlich, um eine Konvertierung zu erzeugen. Daher verringert die Auswahl eines Filtertyps mit längerer Einschwingzeit (d. h. sinc4 oder sinc3) die Gesamtdurchsatzrate. In diesem Fall ist ein Nachfilter oder FIR-Filter sinnvoll, um eine sinnvolle gleichzeitige 50-Hz-/60-Hz-Unterdrückung bei kürzeren Einschwingzeiten zu ermöglichen und so die Durchsatzrate zu erhöhen.

Der Stromverbrauch oder die Leistungsbudgetverteilung des Systems hängt stark von der Endanwendung ab. Der AD7124-4/AD7124-8 verfügt über drei Leistungsmodi, die einen Kompromiss zwischen Leistung, Geschwindigkeit und Leistung ermöglichen. Für jede tragbare oder entfernte Anwendung müssen Komponenten und Konfigurationen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, und für einige industrielle Automatisierungsanwendungen wird das gesamte System über die 4-mA- bis 20-mA-Schleife mit Strom versorgt, sodass ein Strombudget von maximal nur 4 mA zulässig ist. Für diese Art von Anwendung können die Geräte im mittleren oder niedrigen Energiemodus programmiert werden.

Die Geschwindigkeit ist viel geringer, aber der ADC bietet immer noch eine hohe Leistung. Wenn es sich bei der Anwendung um eine Prozesssteuerung handelt, die über das Stromnetz mit Strom versorgt wird, ist ein deutlich höherer Stromverbrauch zulässig, sodass das Gerät im Vollleistungsmodus programmiert werden kann und dieses System eine viel höhere Ausgangsdatenrate und eine höhere Leistung erzielen kann.

Nachdem die erforderliche Systemkonfiguration bekannt ist, besteht der nächste Schritt darin, die mit dem ADC verbundenen Fehler und die Systemfehler abzuschätzen. Diese helfen Systementwicklern zu verstehen, ob die Front-End- und ADC-Konfiguration die Gesamtzielgenauigkeit und -leistung erreichen wird. Mit dem RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator kann der Benutzer die Systemkonfiguration für eine optimale Leistung ändern. Abbildung 9 zeigt beispielsweise eine Zusammenfassung aller Fehler. Das Systemfehler-Kreisdiagramm zeigt, dass die anfängliche Genauigkeit des externen Referenzwiderstands und sein Temperaturkoeffizient die Hauptfehlerfaktoren für den Gesamtsystemfehler sind. Daher ist es wichtig, die Verwendung eines externen Referenzwiderstands mit höherer Genauigkeit und besserem Temperaturkoeffizienten in Betracht zu ziehen.

Der durch den ADC verursachte Fehler ist nicht der bedeutendste Fehlerfaktor für den gesamten Systemfehler. Der Fehlerbeitrag des ADC kann jedoch mithilfe der internen Kalibrierungsmodi des AD7124-4/AD7124-8 weiter reduziert werden. Beim Einschalten oder bei der Software-Initialisierung wird eine interne Kalibrierung empfohlen, um ADC-Verstärkungs- und Offset-Fehler zu beseitigen. Bitte beachten Sie, dass diese Kalibrierungen keine durch die externen Schaltkreise verursachten Fehler beseitigen. Der ADC kann jedoch auch Systemkalibrierungen unterstützen, sodass der System-Offset und der Verstärkungsfehler minimiert werden können. Dies kann jedoch zusätzliche Kosten verursachen und ist für die meisten Anwendungen möglicherweise nicht erforderlich.

Für raue Umgebungen oder Anwendungen, bei denen Sicherheit Priorität hat, wird die Diagnose zu einem Teil der Branchenanforderungen. Die eingebettete Diagnose in

Der AD7124-4/AD7124-8 reduziert den Bedarf an externen Komponenten zur Implementierung von Diagnosen, was zu einer kleineren, vereinfachten Lösung mit Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Die Diagnostik umfasst

Diese Diagnosen führen zu einer robusteren Lösung. Die Fehlermodi, Auswirkungen und Diagnoseanalyse (FMEDA) einer typischen 3-Leiter-RTD-Anwendung haben einen sicheren Ausfallanteil (SFF) von mehr als 90 % gemäß IEC 61508 ergeben.

Abbildung 10 zeigt einige Messdaten aus der Notiz CN-0383. Diese Messdaten wurden mit dem Evaluierungsboard AD7124-4/AD7124-8, das Demomodi für 2-, 3- und 4-Draht-RTDs umfasst, erfasst und der entsprechende Grad Celsius-Wert berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine 2-Draht-RTD-Implementierung einen Fehler liefert, der näher an der unteren Grenze der Fehlergrenze liegt, während die 3-Draht- oder 4-Draht-RTD-Implementierung einen Gesamtfehler aufweist, der deutlich innerhalb der zulässigen Grenze liegt. Der höhere Fehler bei der 2-Leiter-Messung ist auf die zuvor beschriebenen Leitungswiderstandsfehler zurückzuführen.

Abbildung 9. Rechner für RTD-Fehlerquellen.

Diese Beispiele zeigen, dass die Einhaltung der oben genannten RTD-Richtlinien zu einem hochpräzisen und leistungsstarken Design führt, wenn es in Verbindung mit ADIs Sigma-Delta-ADCs mit geringerer Bandbreite wie dem AD7124-4/AD7124-8 verwendet wird. Der Schaltkreishinweis (CN-0383) dient auch als Referenzdesign, das dem Systemdesigner hilft, schnell mit dem Prototyping zu beginnen. Das Evaluierungsboard ermöglicht es dem Benutzer, die Systemleistung zu bewerten, wobei jeder der Beispielkonfigurations-Demomodi verwendet werden kann. Künftig kann Firmware für die verschiedenen RTD-Konfigurationen problemlos mithilfe von ADI generiertem Beispielcode entwickelt werden, der auf den Produktseiten AD7124-4/AD7124-8 verfügbar ist.

ADCs, die eine Sigma-Delta-Architektur wie der AD7124-4/AD7124-8 verwenden, eignen sich für RTD-Messanwendungen, da sie Probleme wie die 50-Hz-/60-Hz-Unterdrückung sowie einen großen Gleichtaktbereich auf dem Analog- und möglicherweise die Referenzeingänge. Sie sind außerdem hochintegriert und enthalten alle Funktionen, die für den Entwurf eines FTE-Systems erforderlich sind. Darüber hinaus bieten sie erweiterte Funktionen wie Kalibrierungsfunktionen und integrierte Diagnosefunktionen. Dieser Grad der Integration vereinfacht zusammen mit der gesamten Systemunterstützung oder dem gesamten Ökosystem das gesamte Systemdesign, die Kosten und den Designzyklus vom Konzept bis zum Prototyping.

Um den Systementwicklern die Arbeit zu erleichtern, können das Tool RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator zusammen mit dem Online-Tool VirtualEval, der Hardware und Software des Evaluierungsboards und CN-0383 verwendet werden, um die verschiedenen Herausforderungen wie Konnektivitätsprobleme und das Gesamtfehlerbudget anzugehen und zu ermitteln Benutzer auf die nächste Ebene ihres Designs bringen.

In diesem Artikel wurde gezeigt, dass die Entwicklung eines RTD-Temperaturmesssystems ein anspruchsvoller, mehrstufiger Prozess ist. Es erfordert Entscheidungen hinsichtlich der verschiedenen Sensorkonfigurationen, ADC-Auswahl und Optimierungen und wie sich diese Entscheidungen auf die Gesamtsystemleistung auswirken. Das ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator-Tool optimiert zusammen mit dem Online-Tool VirtualEval, der Hardware und Software des Evaluierungsboards und CN-0383 den Prozess, indem es Bedenken hinsichtlich der Konnektivität und des Gesamtfehlerbudgets berücksichtigt.

Abbildung 10. Ein 2-/3-/4-Draht-RTD-Nachfilter zur Messung der Temperaturgenauigkeit im Energiesparmodus bei 25 SPS.

Jellenie Rodriguez ist Anwendungsingenieurin bei Analog Devices innerhalb der Precision Converter Technology Group. Ihr Schwerpunkt liegt auf Präzisions-Sigma-Delta-ADCs für Gleichstrommessungen. Sie kam 2012 zu ADI und schloss 2011 ihr Studium am San Sebastian College-Recoletos de Cavite mit einem Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik ab. Sie ist unter [email protected] erreichbar.

Mary McCarthy ist Anwendungsingenieurin bei Analog Devices. Sie kam 1991 zu ADI und arbeitet in der Linear and Precision Technology ApplicationsGroup in Cork, Irland, mit Schwerpunkt auf Präzisions-Sigma-Delta-Wandlern. Mary schloss 1991 ihr Studium am University College Cork mit einem Bachelor in Elektrotechnik ab. Sie ist unter [email protected] erreichbar.