Requisiti degli ADC per i sistemi di misurazione della temperatura

La magnitudine del segnale proveniente dal sensore è bassa ed esso deve essere convertito con precisione, pertanto un ADC ad alta risoluzione è necessario in molti casi.  Gli ADC Sigma-Delta sono adatti per questi sistemi poiché sono dispositivi ad alta risoluzione.  Sono inoltre caratterizzati da circuiti aggiuntivi incorporati on-chip quali buffer di riferimento e correnti di eccitazione necessari in un sistema di temperatura.  In questo articolo vengono descritti i rilevatori della temperatura di resistenza (RTD, Resistance Temperature Detector) a 3 o 4 fili comunemente usati.  Viene descritto il circuito necessario per interfacciare un sensore con un ADC, inoltre vengono spiegati i requisiti di prestazioni di un ADC.

RTD

Gli RTD sono utili per misurare le temperature comprese nell'intervallo tra -200C e +800C e ottengono una risposta quasi lineare su questo intervallo di temperature.  Gli elementi tipici utilizzati per gli RTD sono il nickel, il rame e il platino, sebbene gli RTD di platino da 100 Ω e 1000 Ω sono i più comuni.  Un RTD è costituito da 2, 3 o 4 fili, tuttavia i più comunemente usati sono quelli da 3 e 4 fili. Questi sono sensori passivi che richiedono una corrente di eccitazione per produrre una tensione d'uscita.  I livelli della tensione d'uscita di questi RTD variano da decine a centinaia di millivolt, a seconda dell'RTD scelto. 

Elementi fondamentali e interfaccia di un RTD a 3 fili

Nella Figura 1 è illustrato un sistema RTD a 3 fili.  AD7124-4/AD7124-8 è una soluzione integrata per la misurazione degli RTD di ADI che include tutti gli elementi fondamentali necessari al sistema. Per ottimizzare al massimo questo sistema, sono necessarie due fonti di corrente adattate in maniera identica. Queste due fonti di corrente consentono di cancellare gli errori di resistenza del cavo prodotti dalle resistenze RL1 e RL2 dell'RTD.  Una corrente di eccitazione fluisce sia nel resistore di riferimento di precisione, RREF, che nell'RTD; la seconda corrente fluisce nella resistenza del cavo RL2 e sviluppa una tensione che cancella la caduta di tensione in RL1. La tensione generata nel resistore di riferimento di precisione viene utilizzata come tensione di riferimento REFIN1(±) per l'ADC. Una corrente di eccitazione consente di generare sia la tensione di riferimento che la tensione nell'RTD, pertanto l'accuratezza della fonte di corrente, in caso di mancata corrispondenza e di dispersione di mancata corrispondenza, ha un effetto minimo sulla funzione di trasferimento generale dell'ADC.  AD7124-4/AD7124-8 offre una scelta di valori della corrente di eccitazione che consente all'utente di calibrare il sistema in modo tale da utilizzare la maggior parte della gamma di ingressi dell'ADC, con conseguente aumento delle prestazioni.

La tensione d'uscita di basso livello dell'RTD deve essere amplificata in modo tale da utilizzare la maggior parte della gamma di ingressi dell'ADC. L'amplificatore PGA di AD7124-4/AD7124-8 è programmabile da un guadagno di 1 a uno di 128, consentendo al cliente di ottenere un compromesso tra il valore della corrente di eccitazione e il guadagno e le prestazioni. Per ragioni di EMC e anti-alias, è necessario un filtro tra il sensore e l'ADC. I buffer di riferimento ammettono valori illimitati per le parti R e C del filtro, poiché queste parti non incidono sull'accuratezza della misurazione.  
La calibrazione del sistema è richiesta anche per eliminare gli errori di compensazione e guadagno. Nella figura 1 è illustrato l'errore di temperatura misurato per questo RTD di classe B a 3 fili a seguito di una calibrazione fondo scala e zero interna, con errore generale di gran lunga inferiore a ±1º C.

Il resistore di riferimento di precisione posto sul lato alto dell'RTD funziona bene per i sistemi che utilizzano un singolo RTD. Quando sono necessari più RTD, il resistore di precisione deve essere posizionato sul lato basso, in modo che il resistore di riferimento sia condiviso tra tutti i sensori dell'RTD. Per questa implementazione, è richiesta una migliore corrispondenza o dispersione di corrispondenza della corrente di eccitazione.  Per ridurre al minimo gli errori dovuti alle mancate corrispondenze delle fonti della corrente di eccitazione, è possibile utilizzare due diverse tecniche: 
1) Misurare le due singole correnti tramite la funzionalità multiplexer incrociata di AD7124-4/AD7124-8, il resistore di riferimento di precisione e il riferimento a bassa dispersione interno dell'ADC.
2) Eseguire il partizionamento del sistema nel punto in cui le correnti vengono invertite sugli altri lati dell'RTD e la media dei due risultati viene utilizzata nel calcolo generale della temperatura.

Figura 1. Sistema di temperatura dell'RTD a 3 fili

Elementi fondamentali e interfaccia di un RTD a 4 fili

Le misurazioni dell'RTD a 4 fili richiedono una sola fonte di corrente di eccitazione. Nella figura 2 viene illustrato un sistema RTD a 4 fili. Analogamente al sistema RTD a 3 fili, l'ingresso di riferimento utilizzato è REFIN1(±) e i buffer di riferimento ammettono filtri EMC e anti-alias illimitati. La corrente che attraversa l'RTD fluisce inoltre nel resistore di riferimento di precisione, R_REF, che viene utilizzato per generare la tensione di riferimento per l'ADC. Da questa configurazione deriva una misurazione raziometrica tra la tensione di riferimento e la tensione generata nell'RTD. La configurazione raziometrica garantisce che la variazione del valore della corrente di eccitazione non abbia alcun effetto sull'accuratezza generale del sistema. Nella figura 2 è illustrato l'errore di temperatura dell'RTD misurato per un RTD di classe B a 4 fili in seguito a una calibrazione fondo scala e zero interna. Analogamente alla configurazione a 3 fili, l'errore generale registrato è di gran lunga inferiore a ±1º C.

Requisiti dell'ADC

Per i sistemi di temperatura, le misurazioni avvengono principalmente a bassa velocità (in genere, fino a 100 campioni al secondo). Pertanto, è richiesto un ADC ad ampiezza di banda ridotta. Tuttavia, l'ADC deve essere ad alta risoluzione. Gli ADC Sigma-Delta sono adatti a queste applicazioni poiché è possibile sviluppare ADC ad alta risoluzione ed ampiezza di banda ridotta attraverso l'architettura S-D. 

Grazie ai convertitori sigma delta, l'ingresso analogico viene campionato costantemente, con una frequenza di campionamento considerevolmente superiore alla banda di interesse. Essi utilizzano inoltre la modellazione del rumore che sposta il rumore fuori dalla banda di interesse in un'area non utilizzata dal processo di conversione, riducendo ulteriormente il rumore nella banda di interesse. Il filtro digitale attenua qualsiasi segnale al di fuori della banda di interesse.

Il filtro digitale offre immagini alla frequenza di campionamento e ai relativi multipli. Per questo motivo, sono necessari filtri anti-alias esterni. Tuttavia, a causa del sovracampionamento, è sufficiente un filtro RC di primo ordine semplice per la maggior parte delle applicazioni. L'architettura S-D consente di sfruttare i vantaggi di ADC da 24 bit con una risoluzione p-p di massimo 21,7 bit da sviluppare (21,7 bit stabili o fluidi).

Filtro (rigetto a 50 Hz/60 Hz)

Oltre al rigetto del rumore illustrato in precedenza, il filtro digitale è utile anche per fornire rigetto a 50/60 Hz. L'interferenza avviene a 50 Hz o 60 Hz quando i sistemi vengono alimentati dalla rete elettrica. Esistono frequenze di rete a 50 Hz e relativi multipli in Europa e a 60 Hz e relativi multipli negli Stati Uniti. Gli ADC ad ampiezza di banda ridotta utilizzano principalmente filtri SINC che è possibile programmare per impostare i notch a 50 e/o 60 Hz oltre che ai relativi multipli, fornendo quindi rigetto a 50/60 Hz e relativi multipli. Un requisito in crescita è rappresentato dalla capacità di fornire rigetto a 50/60 Hz utilizzando metodi di filtraggio caratterizzati da tempo di accomodamento ridotto. In un sistema multicanale, l'ADC opera in maniera sequenziale tra tutti i canali abilitati, generando una conversione in ciascuno di essi. Quando viene selezionato un canale, per generare una conversione valida, viene richiesto il tempo di accomodamento del filtro. Il numero dei canali convertiti in un determinato periodo di tempo aumenta se il tempo di accomodamento è ridotto. AD7124-4/AD7124-8 include post-filtri o filtri FIR che forniscono rigetto simultaneo a 50/60 Hz con tempi di accomodamento inferiori rispetto al filtro SINC³ o SINC⁴. Nella figura 3 viene visualizzata un'opzione di filtro digitale: questo post-filtro ha un tempo di accomodamento di 41,53 ms e fornisce rigetto simultaneo di 62 dB a 50/60 Hz.

Figura 3. Risposta in frequenza, Post-filtro, 25 sps a) CC a 600 Hz, b) Da 40 a 70 Hz

Atri requisiti dell'ADC:

Consumo energetico

Il consumo di corrente di un sistema dipende dall'applicazione finale. In alcune applicazioni industriali, ad esempio il monitoraggio della temperatura nelle fabbriche, il sistema di temperatura completo che contiene sensore, ADC e microcontroller è contenuto a sua volta in una scheda autonoma alimentata da loop 4-20 mA. Pertanto, la scheda autonoma ha un budget di corrente di massimo 4 mA. Nelle apparecchiature portatili come ad esempio gli analizzatori di gas, utilizzati per analizzare i gas presenti nelle miniere, la temperatura deve essere misurata parallelamente all'analisi dei gas. Questi sistemi funzionano a batteria, nell'ottica di massimizzarne la durata. In queste applicazioni, i bassi consumi energetici sono essenziali, ma sono ancora richieste prestazioni elevate. Nelle applicazioni di controllo dei processi, è possibile in genere ammettere maggiori livelli di corrente per il sistema. Per questo tipo di applicazione, il requisito può essere operare in maniera sequenziale tra un numero di canali superiore in un determinato periodo di tempo, continuando a ottenere, al contempo, un determinato livello di prestazioni. AD7124-4/AD7124-8 include 3 modalità di consumo energetico, selezionabile dall'utente tramite 2 bit in uno dei relativi registri. La modalità di consumo energetico scelta determina l'intervallo di rate dati di output con la corrente assorbita dai blocchi analogici on-chip. Pertanto, la parte può essere utilizzata a basso o medio consumo energetico per sistemi alimentati a batteria o tramite loop. Nei sistemi di controllo dei processi, la parte può essere alimentata alla massima potenza, laddove un consumo di corrente superiore favorisce maggiori prestazioni.

Diagnostica

L'importanza della diagnostica nelle applicazioni industriali è sempre più in aumento. I requisiti tipici in materia di diagnostica sono 
- Monitoraggio di ingresso analogico, tensione di riferimento e consumo energetico
- Rilevamento dei fili scoperti
- Controlli di calibrazione/conversione
- Controllo della funzionalità della catena dei segnali
- Monitoraggio delle operazioni di lettura/scrittura
- Monitoraggio dei contenuti dei registri

Per i sistemi progettati per applicazioni a sicurezza intrinseca, la diagnostica on-chip salva il cliente in termini di tempi del progetto, parti esterne, costo e spazio della scheda. Una parte quale ad esempio AD7124-4/AD7124-8 prevede la diagnostica summenzionata. L'analisi della diagnostica e degli effetti delle modalità di errore (FMEDA, Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis) di un'applicazione di temperatura tipica che utilizza questo dispositivo ha dimostrato una frazione guasti in sicurezza (SFF, Safe Failure Fraction) superiore al 90% conformemente allo standard IEC 61508. Due ADC tradizionali devono in genere garantire questo livello di copertura.

Conclusioni

I requisiti di sistema e ADC relativi a un sistema di misurazione della temperatura sono alquanto severi.  I segnali analogici generati da questi sensori sono deboli e devono essere amplificati da uno stadio di guadano con livelli bassi di rumore per garantire che il rumore dello stadio di guadagno non sovrasti il segnale del sensore.  Oltre all'amplificatore, è richiesto un ADC ad alta risoluzione, in questo modo, il segnale di basso livello del sensore può essere convertito in informazioni digitali.  Gli ADC che utilizzano un'architettura  sono adatti per queste applicazioni poiché gli ADC ad alta risoluzione e precisione possono essere sviluppati tramite queste architetture.  Oltre all'ADC e allo stadio di guadagno, un sistema di temperatura richiede altre parti, ad esempio buffer di riferimento e correnti di eccitazione.  Infine, l'applicazione finale stabilisce il budget di corrente sostenibile dal sistema. I sistemi portatili o alimentati tramite loop devono utilizzare parti a basso consumo energetico e, insieme alla ridondanza per i sistemi a sicurezza intrinseca, questo riduce ulteriormente il consumo di corrente ammesso per parte. Per sistemi quali ad esempio moduli di ingresso si auspica un determinato livello di prestazioni a velocità di elaborazione più elevate, con conseguente una maggiore densità dei canali. L'utilizzo di un dispositivo con più modalità di consumo energetico alleggerisce il carico imposto all'utente dal momento che un ADC può essere progettato in più sistemi finali, riducendo i tempi del progetto.

Il presente articolo fornito da Analog Devices è stato redatto da Mary McCarthy e Aine McCarthy.