Requisitos de ADC para sistemas de medición de temperatura RTD

En muchos casos se requiere un ADC de alta resolución ya que la magnitud de la señal del sensor es bastante pequeña y debe convertirse con gran precisión.  Los ADC sigma delta son adecuados para estos sistemas pues son dispositivos de alta resolución.  También llevan integrados circuitos adicionales en un chip, como las corrientes de excitación y los búferes de referencia que se requieren en un sistema de temperatura.  Este artículo describe los detectores de temperatura resistivos (RTD) de 3 y 4 cables que usan habitualmente.  Describe los circuitos necesarios para conectar un sensor con un ADC además de explicar los requisitos de rendimiento que se requieren del ADC.

RTD

Los RTD son útiles para medir temperaturas en el rango de -200 C a +800 C y tienen una respuesta casi lineal en todo este rango de temperaturas.  Los elementos que se usan normalmente para los RTD son níquel, cobre y platino, siendo los más comunes los RTD de platino de 100 Ω y 1000 Ω.  Un RTD se compone de 2, 3 o 4 cables, siendo los de 3 y 4 cables los más usados. Estos sensores son pasivos y requieren una corriente de excitación para producir una tensión de salida.  Los niveles de tensión de salida de dichos RTD varían de decenas a cientos de milivoltios dependiendo del RTD elegido. 

Interfaz y componentes básicos de RTD de 3 cables

La Figura 1 muestra un sistema RTD de 3 cables.  AD7124-4/AD7124-8 es una solución integrada para la medición de RTD de ADI que incluye todos los componentes básicos que necesita el sistema. Para una total optimización de este sistema, se necesitan dos fuentes de corriente idénticas. Estas dos fuentes de corriente se usan para cancelar los errores de resistencia del conductor producidos por los RL1 y RL2 del RTD.  Una corriente de excitación fluye a través del resistor de referencia de precisión, RREF, y el RTD; la segunda corriente fluye a través del RL2 de resistencia del conductor y desarrolla una tensión que cancela la caída de tensión en RL1. La tensión generada en el resistor de referencia de precisión se usa como la tensión de referencia REFIN1(±) al ADC. Dado que se usa una corriente de excitación para generar tanto la tensión de referencia como la tensión en el RTD, la precisión, el desajuste y la desviación de desajuste de la fuente de corriente tendrá mínimo efecto sobre la función general de transferencia del ADC.  AD7124-4/AD7124-8 ofrece diversos valores de corrientes de excitación que permiten al usuario ajustar el sistema para que el rango de entrada del ADC se use al máximo, dando lugar a un mayor rendimiento.

La tensión de salida de nivel bajo del RTD necesita ser amplificada para que se use al máximo el rango de entrada del ADC. El PGA del AD7124-4/AD7124-8 es programable a partir de una ganancia de 1 a 128, lo que permite al cliente obtener un equilibrio entre el valor de la corriente de excitación y la ganancia y el rendimiento. Se requiere filtrado entre el sensor y el ADC para fines de anti-aliasing y EMC. Los búferes de referencia admiten valores ilimitados de los componentes R y C del filtro, es decir, estos componentes no afectan la precisión de la medición.  
También se requiere una calibración del sistema para eliminar errores de ganancia y desplazamiento. La Figura 1 muestra el error de temperatura medido para este RTD Clase B de 3 cables tras una calibración interna a escala cero y a escala completa, siendo el error global muy inferior a ±1 ºC.  

Un resistor de referencia de precisión en el lado alto del RTD funciona bien para sistemas que usan un solo RTD. Cuando se necesitan varios RTD, el resistor de precisión debe colocarse del lado bajo para que el resistor de referencia se pueda compartir entre todos los sensores del RTD. Para esta implementación, se requiere una mejor coincidencia de corriente de excitación y de desviación.  Para reducir al mínimo los errores debidos a los desajustes en las fuentes de corriente de excitación, se pueden usar dos técnicas: 
1) Mida las dos corrientes individuales usando la funcionalidad de multiplexor cruzada del AD7124-4/AD7124-8, el resistor de referencia de precisión y la referencia de baja desviación interna de ADC.
2) Realice un salto del sistema donde las corrientes se intercambien a su lado opuesto del RTD y se use el promedio de los dos resultados en el cálculo global de la temperatura.

Figura 1. Sistema de temperatura RTD de 3 cables

Interfaz y componentes básicos de RTD de 4 cables

Las mediciones del RTD de 4 cables requieren solo una fuente de corriente de excitación. La Figura 2 muestra un sistema RTD de 4 cables. Al igual que el sistema RTD de 3 cables, la entrada de referencia usada es REFIN1(±) y los búferes de referencia se habilitan para permitir antialiasing o filtrado de EMC ilimitado. La corriente que atraviesa el RTD también fluye a través del resistor de referencia de precisión, R_REF, que se usa para generar la tensión de referencia para el ADC. Esta configuración da lugar a una medición radiométrica entre la tensión de referencia y la tensión generada en el RTD. La configuración radiométrica garantiza que la variación del valor de la corriente de excitación no influya en la precisión global del sistema. La Figura 2 muestra el error de temperatura del RTD medido para un RTD Clase B de 4 cables tras una calibración interna a escala cero y a escala completa. De manera similar a la configuración de 3 cables, el error global registrado es muy inferior a ±1 ºC.

Requisitos del ADC

Para los sistemas de temperatura, las mediciones son principalmente de baja velocidad (normalmente, hasta 100 muestras por segundos). Por consiguiente, se requiere un ADC de bajo ancho de banda. Sin embargo, el ADC debe tener alta resolución. Los ADC sigma-delta son adecuados para estas aplicaciones pues los ADC de bajo ancho de banda y alta resolución se pueden desarrollar con arquitectura S-D. 

Con los convertidores sigma delta, constantemente se obtienen muestras de la entrada analógica y la frecuencia de muestreo es bastante más alta que la banda de interés. También usan conformación de ruido, que empuja el ruido fuera de la banda de interés y lo lleva a una región que no esté siendo usada por el proceso de conversión, lo que reduce aún más el ruido en la banda de interés. El filtro digital atenúa cualquier señal fuera de la banda de interés.

El filtro digital tiene imágenes en la frecuencia de muestreo y múltiples de la frecuencia de muestreo. Por lo tanto, se requieren algunos filtros externos antialiasing. Sin embargo, debido al sobremuestreo, un filtro RC simple de primer orden es suficiente para casi todas las aplicaciones. La arquitectura S-D admite ADC de 24 bits con una resolución p-p de hasta 21,7 bits para desarrollar (21,7 bits estables o sin parpadeo).

Filtrado (eliminación a 50 Hz/60 Hz)

Además de rechazar el ruido como se describió anteriormente, el filtro digital también es útil para proporcionar una eliminación de 50/60 Hz.  La interferencia se produce a 50 Hz o 60 Hz cuando los sistemas funcionan desde la red de suministro principal. Hay frecuencias generadas por la red principal a 50 Hz y sus múltiples en Europa y a 60 Hz y sus múltiples en EE. UU. Los ADC de bajo ancho de banda usan sobre todo filtros sinc que se pueden programar para que establezcan marcas a 50 Hz o 60 Hz junto con los múltiples de 50 Hz y 60 Hz, proporcionando una eliminación a 50/60 Hz y sus múltiples. Cada vez se exige más proporcionar una eliminación a 50/60 Hz usando métodos de filtrado que tengan un bajo tiempo de retorno a valores nominales. En un sistema multicanal, el ADC establece una secuencia a través de todos los canales habilitados, generando una conversión en cada uno de ellos. Cuando se selecciona un canal, es preciso que el tiempo de retorno a valores nominales del filtro genere una conversión válida. La cantidad de canales convertidos en un periodo de tiempo dado se incrementa si se reduce el tiempo de retorno a valores nominales. AD7124-4/AD7124-8 incluye filtros de borne o filtros FIR que proporcionan una eliminación simultánea a 50/60 Hz a unos tiempos de retorno a valores nominales más bajos en comparación con un filtro sinc³ o sinc⁴. La Figura 3 muestra una opción de filtro digital: este filtro de borne tiene un tiempo de retorno a valores nominales de 41,53 ms y proporciona una eliminación a 50/60 Hz de 62 dB.

Figura 3.  Respuesta de la frecuencia, Filtro de borne, 25 sps a) de CC a 600 Hz, b) de 40 Hz a 70 Hz

Otros requisitos del ADC:

Potencia

La corriente consumida en un sistema depende de la aplicación final. En algunas aplicaciones industriales, como el monitoreo de temperaturas en fábricas, el sistema completo de temperatura que contiene el sensor, el ADC y el microcontrolador está instalado en un tablero autónomo alimentado por el bucle 4 – 20 mA. Por consiguiente, el tablero autónomo tiene un presupuesto de corriente de 4 mA máximo. En los equipos portátiles como los analizadores de gas, que se usan para analizar los gases presentes en las minas, la temperatura debe medirse conjuntamente con el análisis de gas. Estos sistemas funcionan a pila, con el fin de potenciar al máximo la duración de la pila. En estas aplicaciones, la baja potencia es esencial pero también se requiere un alto rendimiento. En las aplicaciones de control de procesos, normalmente se admite más corriente para el sistema. Para este tipo de aplicación, el requisito puede ser secuenciar a través de un número superior de canales en un determinado periodo de tiempo al mismo tiempo que se consigue un nivel de rendimiento dado. AD7124-4/AD7124-8 contiene 3 modos de potencia que el usuario puede seleccionar mediante 2 bits en uno de sus registros. El modo de potencia elegido determina el rango de tasas de transferencia de datos de salida además de la corriente consumida por los bloques analógicos en el chip. Por lo tanto, la pieza puede funcionar en modo de media o baja potencia para sistemas que funcionan por bucle o a pila. En los sistemas de control de procesos, la pieza puede funcionar en modo de potencia total, donde el mayor consumo de corriente mejora el rendimiento.

Diagnóstico

El diagnóstico es cada vez más importante en las aplicaciones industriales. Los requisitos de diagnóstico habituales son
- Monitoreo del suministro de energía/tensión de referencia/entrada analógica.
- Detección de cables abiertos
- Comprobaciones de conversión/calibración
- Comprobación de funcionalidad de la cadena de señales
- Monitoreo de lectura/escritura
- Monitoreo del contenido del registro

En los sistemas que se estén diseñando para aplicaciones de seguridad contra fallas, el diagnóstico en el chip supone un ahorro tiempo de diseño, componentes externos, espacio del tablero y costos para el cliente. Una pieza como AD7124-4/AD7124-8 incluye el diagnóstico anterior. El análisis de efectos y diagnóstico de los modos de falla (FMEDA, en inglés) de una aplicación de temperatura habitual que use este dispositivo demostró un fracción a prueba de falla (SFF) superior al 90% de acuerdo con la IEC 61508. Normalmente se requieren dos ADC tradicionales para proporcionar este nivel de cobertura.

Conclusión

Los requisitos del ADC y de sistema para un sistema de medición de temperaturas son bastante estrictos.  Las señales analógicas generadas por estos sensores son pequeñas y deben ser amplificadas por una etapa de ganancia cuyo ruido sea bajo para garantizar que el ruido de la etapa de ganancia no amortigüe la señal del sensor.  Después del amplificador, se requiere un ADC de alta resolución para que la señal de bajo nivel del sensor pueda convertirse en información digital.  Los ADC que usan una arquitectura  son adecuados para dichas aplicaciones, dado que los ADC de alta resolución y alta precisión se pueden desarrollar usando estas arquitecturas.  Además del ADC y la etapa de ganancia, un sistema de temperatura requiere otros componentes como las corrientes de excitación y los búferes de referencia.  Por último, la aplicación final determinará el presupuesto de corriente admitido para el sistema. Los sistemas portátiles o alimentados por bucle deben usar componentes de baja potencia y, con la inclusión de redundancia para sistemas a prueba de fallas, esto reduce aún más la tolerancia de consumo de corriente por componente. Para sistemas como los módulos de entrada, existe una demanda de un determinado nivel de rendimiento a rendimientos más altos, lo que da lugar a una mayor densidad de canal. El uso de un dispositivo con múltiples modos de potencia facilita la carga al usuario ya que es posible diseñar un ADC en varios sistemas finales y con ello se reducen los tiempos de diseño.

Artículo suministrado por Analog Devices, escrito por Mary McCarthy y Aine McCarthy.