溫度傳感電路是許多工業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分,在溫度傳感元件之中,金屬鉑制成的熱電阻PT100可保證長期穩(wěn)定性,寬溫度范圍內(nèi)最精確。本文介紹幾種PT100采集電路方案,分析精密溫度采集電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
常規(guī)的電路方案
1. 使用ADI和TI公司的高集成ADC芯片完成采集。電路需要少量的外圍無源元件,先從ADC讀取采樣值,再在MCU中進(jìn)行查表換算,將采樣值換算成溫度值。
2. 使用國產(chǎn)的信號(hào)鏈芯片自行搭建。隨著國內(nèi)基礎(chǔ)模擬信號(hào)鏈芯片的日益完善,考慮使用國產(chǎn)器件完成同等性能的電路,如圖1。這樣能降低物料供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)一步優(yōu)化成本,實(shí)現(xiàn)溫度采集,這類基礎(chǔ)物理量采集電路的自主可控。圖1電路主要由24位SD型ADC、運(yùn)放、模擬開關(guān)、LDO、MCU等組成,這些基礎(chǔ)元件的國產(chǎn)芯片已經(jīng)成熟可用,并且有可替換的國產(chǎn)型號(hào)。圖1 國產(chǎn)信號(hào)鏈搭建的電路方案
搭建精密溫度采集電路的要點(diǎn)
1. 使用比率法測量。電路實(shí)現(xiàn)如圖2,測量精度和穩(wěn)定性在理論上只與精密參考電阻相關(guān),能夠避開國產(chǎn)24位ADC器件自身增益誤差、增益漂移等的不完美。
圖2比率法測量電路
上述電路IEXC為激勵(lì)電流源,VRTD是PT100兩端的電壓值,VREF是ADC基準(zhǔn)輸入端的電壓值,有如下兩個(gè)表達(dá)式。
合并之后,得到RRTD的表達(dá)式。
CodeRTD是ADC采集RTD兩端電壓得到的二進(jìn)制代碼,Codefull_scales是ADC滿量程時(shí)的二進(jìn)制代碼,從RRTD表達(dá)式可以看到,RRTD測量值僅與Code的比率值和精密參考電阻相關(guān)。當(dāng)使用10ppm電阻做為參考電阻時(shí),該比率測量電路可以獲得10ppm左右的測量電路溫漂性能,卻不需要精密電壓基準(zhǔn)。
2. 考慮出廠校準(zhǔn)。在比率法中,精密參考電阻決定了整體電路的增益誤差,精密電阻自身精確度一般為0.1%,并且比率法不能修正ADC的失調(diào)電壓誤差。當(dāng)需要獲得0.1%及更高的電路精確度時(shí),需要對電路進(jìn)行出廠校準(zhǔn)。3. 抗工頻干擾。PT100測量電路是典型的低速精密模擬電路,1mA激勵(lì)時(shí),傳感元件兩端的電壓值約在300mV以下,容易受到50Hz工頻干擾信號(hào)影響,需要對采集數(shù)據(jù)做陷波或?yàn)V波處理。4. 驗(yàn)證工作環(huán)境溫度和EMC性能。搭建好的整體測量電路,需要在-40~+85℃環(huán)境溫度下,驗(yàn)證實(shí)際測量精度和漂移;驗(yàn)證ESD靜電放電和EFT群脈沖干擾環(huán)境下的工作穩(wěn)定性,以滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的可靠性要求。ZAM6222兩路熱電阻采集模塊
ZAM6222是一款針對PT100的工業(yè)雙通道熱電阻測溫模塊,基于國產(chǎn)基礎(chǔ)信號(hào)鏈元件和比率法進(jìn)行設(shè)計(jì),已集成完整的精密溫度測量信號(hào)鏈路,圖3為其內(nèi)部框圖。ZAM6222出廠基于Fluke5522A校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)體系進(jìn)行校準(zhǔn),溫度檢測精度可達(dá)0.02%±0.1℃,溫度測量范圍-200~800℃,電路溫漂最大15ppm。模塊支持50Hz工頻干擾抑制功能,整體電路經(jīng)過-40~+85℃環(huán)境溫度下的測量精度和溫漂驗(yàn)證,支持4000V的ESD和1000V的EFT性能。圖3ZAM6222內(nèi)部框圖
ZAM6222內(nèi)部完成溫度查表轉(zhuǎn)換,可以通過I2C接口直接讀取以“℃”為單位的測溫?cái)?shù)據(jù)。用該模塊實(shí)現(xiàn)兩路PT100熱電阻溫度采集的典型電路如圖4,可見外圍電路簡潔。相對于電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、校準(zhǔn)和驗(yàn)證的時(shí)間和設(shè)備投入,ZAM6222提供了免復(fù)雜設(shè)計(jì)、免復(fù)雜調(diào)試、直接讀取溫度值的簡潔方案。圖4ZAM6222典型應(yīng)用電路
原文標(biāo)題:【解決方案】不懂模擬電路設(shè)計(jì)?如何完成溫度信號(hào)采集?
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