有多种不同类型的温度传感器可用于温度测量系统。应使用的温度传感器取决于所测量的温度范围和对精度的要求。除传感器外，温度系统的精度还取决于与传感器连接的模拟数字转换器 (ADC) 的性能。
在许多情况下需要高分辨率 ADC，因为来自传感器的信号幅度相对较小，必须得到非常准确的转换。 三角积分 ADC 适用于这些系统，因为它们是高分辨率设备。 而且它们配有额外的片上嵌入式电路，如励磁电流和温度系统所需的参考缓冲器。 本文介绍的是常用的 3 线和 4 线电阻温度检测器 (RTD) 。 介绍将传感器连接到 ADC 所需的电路，同时讲解 ADC 所应必备的性能要求。
电阻温度检测器 (RTD)
RTD 可用来测量从 200°C 到 800°C 的温度，在此温度范围内具有近似线性响应。 用于 RTD 的典型元素有镍、铜和铂，100Ω 和 1000Ω 铂 RTD 最常见。 RTD 由 2、3 或 4 线组成，3 线和 4 线目前最为常用。这些都是需要激励电流才能产生输出电压的无源传感器。 此类 RTD 的输出电压水平从几十毫伏到几百毫伏不等，具体视所选择的 RTD 而定。
3 线 RTD 接口和构建基块
图 1 显示的是一个 3 线 RTD 系统。 AD7124-4/AD7124-8 是 ADI 用于 RTD 测量的集成解决方案，包含了系统所需要的所有构建基块。为了充分优化这个系统，需要两个完全匹配的电流源。这两个电流源用来消除由 RTD 的 RL1 和 RL2 产生的引线电阻误差。 一个励磁电流流过 RREF 和 RTD 这两个精密参考电阻，第二个电流流过引线电阻 RL2 并产生可消除 RL1 电压降的电压。精密参考电阻产生的电压用作 ADC 的参考电压 REFIN1(±)。由于一个励磁电流用于产生参考电压和 RTD 的电阻电压，因此电流源精度、失配和失配漂移对整体 ADC 传递功能影响甚微。 AD7124-4/AD7124-8 产品提供一系列励磁电流值，因此用户可以调整系统，让大部分 ADC 输入范围都可以被利用，从而提高性能。
需要把来自 RTD 的低电平输出电压放大，让大部分 ADC 输入范围都可以被利用。AD7124-4/AD7124-8 可编程增益放大器 (PGA) 的可编程增益是从 1 到 128，让客户可以在励磁电流值和增益及性能之间进行权衡。对于抗混叠及 EMC 用途，需要在传感器和 ADC 之间进行滤波。参考缓冲器允许滤波器的 R 和 C 元器件有无限的值，即这些元器件不影响测量的精度。
还需要在系统内进行校准，以消除增益和偏移误差。图 1 显示的是这种 3 线 B 类 RTD 在内部零点校准和满量程校准之后所测量的温度误差，总体误差大大小于 ±1ºC。
对于使用一台 RTD 的系统，处于 RTD 高侧的精密参考电阻的效果很好。当需要多个 RTD 时，应该将精密电阻器放在低侧，这样所有 RTD 传感器都可以共享该参考电阻。对于这种部署，需要更好的励磁电流匹配和匹配漂移。 为了尽量减少激励电流源由于失配而产生的误差，可以使用两种不同的技术：
1) 运用 AD7124-4/AD7124-8 的交叉多路复用器的功能、精度参考电阻和 ADC 的内部低漂移参考，测量这两个单独电流。
2) 在电流被交换到 RTD 不同侧的情况下以及在温度整体计算中使用这两个结果的平均值时，执行系统系统斩波。
图 1. 3 线 RTD 温度系统
4 线 RTD 接口和构建基块
4 线 RTD 测量只需要一个激励电流源。图 2 显示的是一个 4 线 RTD 系统。和 3 线 RTD 系统一样，所使用的参考输入是 REFIN1(±)，而且启用了参考缓冲器，以允许无限制的抗混叠或 EMC 滤波。流过 RTD 的电流也流经用来产生 ADC 参考电压的精密基准电阻 RREF。这种配置导致参考电压和在整个 RTD 中产生的电压之间的比率测量。该比率测量可确保励磁电流值的变化不会对系统整体精度造成任何影响。图 2 显示的是 4 线 B 类 RTD 在内部零点校准和满量程校准之后所测量的 RTD 温度误差。与 3 线配置相似，总体误差大大小于 ±ºC。
ADC 要求
对于温度系统，测量值主要是低速率（一般最多 100 个样本/秒）。因此，需要低带宽的 ADC。 但是，ADC 必须具有高分辨率。三角积分 ADC 由于是低带宽，很适用于这些应用，高分辨率 ADC 可以使用 S-D 体系结构开发。
采用三角积分转换器，可以对模拟输入连续采样，采样频率显著高于所需频带。他们还使用噪声整形，将噪声从所需频带中排除到转换过程没有使用的区域，从而进一步降低所需频带的噪音。数字滤波器可减弱所需频带之外的任何信号。
数字滤波器确实有在采样频率下的图像和采样频率的倍数。因此，需要一些外部抗混叠滤波器。可是，由于过采样，简单的一阶 RC 滤波器可满足大多数应用的需求。S-D 体系结构允许我们开发正负峰间值分辨率高达 21.7 位的 24 位 ADC（21.7 位稳定或无闪烁）。
滤波（50 Hz / 60 Hz 抗拒）
除了前所述噪声抗拒外，数字滤波器还可用来提供 50/60 Hz 抗拒。系统在由主电源供电时，通常在 50 Hz 或 60 Hz 发生干扰。电源供电时在欧洲产生干扰的频率是 50 Hz 及其倍数，在美国是 60 Hz 及其倍数。低带宽 ADC 主要采用 sinc 滤波器，可以通过编程在 50 Hz 和 60 Hz 及其倍数频率上设置换级触点，从而提供在 50 Hz 和 60 Hz 及其倍数频率上的抗拒。对使用设定时间低的滤波方法提供 50/60 Hz 抗拒的需求日益增加。在多通道系统中，ADC 会通过所有启用通道进行排序，在每一个通道上产生转换。在选择一个通道时，需要滤波器的设定时间来产生有效的转换。在给定的时间段内，如果设定时间减少，转换的通道数量就会增加。AD7124-4/AD7124-8 包括后置滤波器或 FIR 滤波器，在比 sinc 3 或 sinc4 滤波器还低的设定时间提供同步的 50/60 Hz 抗拒。图 3 显示的是一个数字滤波器选项：该后置过滤器的设定时间为 41.53 毫秒，同步提供 50/60 Hz 的 62 dB 抗拒。
图 3. 频率响应，后置滤波器，25 sps a) DC 到 600 Hz，b) 40 Hz 到 70 Hz
其他 ADC 要求
电源
系统中消耗的电流取决于最终应用。在一些工业应用中，如工厂内的温度监控、包含传感器、ADC 和微控制器的完整温度系统都在一个由 4–20 mA 回路供电的单机板上。因此，该单机板的最大电流为 4 mA。在便携式设备上，例如用于分析矿井中的气体的气体分析仪，温度必须随气体分析一起测量。这些系统由电池供电，目的是最大限度地提高电池续航时间。在这些应用中，同时保持低功耗和高性能至关重要。在流程控制应用中，系统通常能够允许更多电流。对于这种类型的应用，要求可能是在一定时间内要对通过的更高通道数量进行排序，同时仍然实现一定程度的性能。AD7124-4/AD7124-8 包含 3 个电源模式，用户可通过其中一个寄存器上的 2 个数位进行选择。所选择的功率模式将决定输出数据速率的范围以及芯片上模拟块的电流消耗。因此，部件可以在环路供电或电池供电系统中以中功耗或低功耗模式运行。在流程控制系统中，部件可以在全功率模式下运行。这时，更高的电流消耗将带来更高的性能。
诊断
诊断在工业应用中变得愈加重要。典型的诊断要求是
- 电源/基准电压/模拟输入监测
- 明线检测
- 转换/校准检查
- 信号链功能检查
- 读/写监测
- 注册内容监测
对于为故障保护应用而设计的系统来说，片上诊断可为客户节省设计时间、外部元器件、电路板空间和成本。例如，像 AD7124-4/AD7124-8 这样的部件包含了上述诊断。对采用该装置的典型温度应用进行的失效模式影响和诊断分析 (FMEDA) 显示，根据 IEC 61508，安全失效分数 (SFF) 大于 90%。通常需要两个传统的 ADC 才能取得这种水平。
结论
温度测量系统对 ADC 和系统的要求相当严格。 这些传感器产生的模拟信号很小，必须经过噪声低的增益级放大，以确保不干扰来自传感器的信号。 经过放大后，需要高分辨率的 ADC 把来自传感器的低电平信号转换成数字信息。 使用 这种体系结构的 ADC 适合此类应用，因为使用这些体系结构可以开发高分辨率、高精度的 ADC。 除 ADC 和增益级外，温度系统还需要其他元器件，如励磁电流和参考缓冲器。 最后，终端应用决定了系统容许的电流范围。便携式或回路供电系统必须使用低功率元器件，而由于故障保护系统包含了冗余功能，这进一步减少了每个元器件的电流消耗定额。对于像输入模块这样的系统，由于需要在更高吞吐量上保持一定水平的性能，这导致了通道密度的增加。使用具有多种电源模式的装置可减轻用户的负担，因为可以设计适合多个终端系统的单个 ADC，从而减少了设计时间。
本文由 Analog Devices 供稿，作者为 Mary McCarthy 和 Aine McCarthy。