A/D-W-Anforderungen für RTD-Temperaturmessungssystems

In vielen Fällen ist ein hochauflösender A/D-W erforderlich, da die Signalstärke vom Sensor eher gering ist und sehr genau umgewandelt werden muss.  Sigma-Delta-A/D-W eignen sich für diese Systeme, da es sich um hochauflösende Geräte handelt.  Sie verfügen darüber hinaus über zusätzliche On-Chip-Schaltungen wie Erregerstrom und Referenzpuffer, die in einem Temperatursystem erforderlich sind.  In diesem Artikel werden drei- und vieradrige Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) erläutert, die in der Regel verwendet werden.  Beschrieben wird die Schaltung, die benötigt wird, um eine Schnittstelle zwischen einem Sensor und einem A/D-W zu erstellen. Darüber hinaus werden die Leistungsanforderungen erläutert, die vom A/D-W benötigt werden.

RTD

RTD werden verwendet für die Messung von Temperaturen im Bereich von -200 °C bis +800 °C. Sie haben eine nahezu lineare Reaktion in diesem Temperaturbereich.  Typischerweise für RTD verwendete Elemente sind Nickel, Kupfer und Platin, wobei 100 Ω und 1000 Ω Platin-RTD am häufigsten vorkommen.  Ein RTD ist entweder 2-, 3- oder 4-adrig, wobei 3- und 4-adrige am häufigsten verwendet werden. Es handelt sich hierbei um passive Sensoren, die einen Erregungsstrom benötigen, um Ausgangsspannung zu erzeugen.  Die Ausgangsspannungsniveaus derartiger RTD sind sehr unterschiedlich: vom zweistelligen Millivoltbereich bis zu hunderten von Millivolt, je nach gewähltem RTD. 

3-adrige RTD-Schnittstelle und Bausteine

Abbildung 1 zeigt ein 3-adriges RTD-System.  AD7124-4/AD7124-8 ist eine integrierte Lösung für die RTD-Messung von ADI, die alle Bausteine beinhaltet, die für das System benötigt werden. Um dieses System vollständig zu optimieren, werden zwei identisch abgestimmte Stromquellen benötigt. Diese zwei Stromquellen werden dazu verwendet, die Leitungswiderstandsfehler zu eliminieren, die durch Leitungswiderstand RL1 und Leitungswiderstand RL2 des RTD verursacht werden.  Sobald der Erregungsstrom sowohl durch den Messreferenzwiderstand, RREF, als auch durch den RTD fließt, fließt der zweite Strom durch den Leitungswiderstand RL2 und entwickelt eine Spannung, die den Spannungsabfall durch RL1 eliminiert. Die generierte Spannung durch den Messreferenzwiderstand wird als die Referenzspannung REFIN1(±) zum A/D-W verwendet. Da ein Erregungsstrom verwendet wird, um sowohl die Referenzspannung als auch die Spannung über dem RTD zu generieren, haben die Genauigkeit, Diskrepanz und Abweichungsdrift der Stromquelle minimalen Einfluss auf die Gesamttransferfunktion des A/D-W.  AD7124-4/AD7124-8 bietet eine Auswahl an Erregungsstromwerten, anhand der der Anwender das System so einstellen kann, dass der Großteil des Eingangsbereichs des A/D-W verwendet wird, was zu einer besseren Leistung führt.

Die L-Pegel-Ausgangsspannung vom RTD muss verstärkt werden, so dass der Großteil des Eingangsbereichs des A/D-W verwendet wird. Die PGA-Einstellungen des AD7124-4/AD7124-8 sind von 1 bis 128 programmierbar, was es dem Kunden ermöglicht, den Wert des Erregungsstroms gegen Verstärkung und Leistung abzuwägen. Zwischen dem Sensor und dem A/D-W ist zu Anti-Alias- und EMC-Zwecken eine Filterung notwendig. Referenzpuffer ermöglichen unbegrenzte Werte für die R- und C-Komponenten des Filters, d. h., dass diese Komponenten die Genauigkeit der Messung nicht beeinflussen.  
Darüber hinaus ist eine Kalibrierung in dem System erforderlich, um Verstärkungs- und Offsetfehler zu eliminieren. Abbildung 1 zeigt den Temperarturfehler, der für dieses 3-adrige RTD der Klasse B gemessen wurde nach einer internen Nullpunkt- und Messbereichskalibrierung; der Gesamtfehler liegt dabei weit unter ±1 ºC. 

Der Messreferenzwiderstand auf der High Side des RTD funktioniert gut bei Systemen die einen einzelnen RTD verwenden. Wenn mehrere RTD benötigt werden, sollte sich der Messwiderstand an der Low Side befinden, damit der Referenzwiderstand von allen RTD-Sensoren genutzt wird. Für diese Implementierung ist eine bessere Anpassung und ein besserer Drift des Erregungsstroms erforderlich.  Um die Fehler aufgrund von Diskrepanzen in den Erregungsstromquellen zu minimieren, können zwei unterschiedliche Techniken verwendet werden. 
1) Messung der zwei einzelnen Ströme unter Verwendung der Multiplexerfunktion des AD7124-4/AD7124-8, des Messreferenzwiderstands und der internen Referenz mit niedrigem Drift des A/D-W.
2) Durchführung eines System-Choppings, bei dem die Ströme an die anderen Seiten des RTD gewechselt werden und der Durchschnitt der Zwei Ergebnisse wird für die Gesamtberechnung der Temperatur verwendet.

Abbildung 1. 3-adriges RTD-Temperatursystem

4-adrige RTD-Schnittstelle und Bausteine

4-adrige RTD-Messungen erfordern nur eine Erregungsstromquelle. Abbildung 2 zeigt ein 4-adriges RTD-System. Wie beim 3-adrigen RTD-System ist der verwendete Referenzeingang REFIN1(±) und die Referenzpuffer sind aktiviert, um unbegrenztes Anti-Alias- oder EMC-Filtern zu ermöglichen. Die Spannung durch den RTD fließt ebenfalls durch den Messreferenzwiderstand, R_REF, der genutzt wird, um die Referenzspannung für den A/D-W zu erzeugen. Diese Konfiguration erzeugt eine ratiometrische Messung zwischen der Referenzspannung und der Spannung, die durch den RTD erzeugt wird. Die ratiometrische Konfiguration stellt sicher, dass Abweichungen im Erregungsstromwert keinen Einfluss auf die Gesamtgenauigkeit des Systems haben. Abbildung 2 zeigt den RTD-Temperarturfehler, der für ein 4-adriges RTD der Klasse B nach einer internen Nullpunkt- und Messbereichskalibrierung gemessen wurde. Ähnlich wie bei der 3-adrigen Konfiguration liegt der Gesamtfehler dabei weit unter ±1 ºC.

A/D-W-Anforderungen

Bei Temperatursystemen ist die Messungsgeschwindigkeit überwiegend gering (bis zu 100 Abtastungen pro Sekunde in der Regel). Daher ist ein A/D-W mit geringer Bandbreite erforderlich. Der A/D-W muss jedoch über eine hohe Auflösung verfügen. Sigma-Delta-A/D-W eignen sich für diese Anwendungen, da A/D-W mit geringer Bandbreite und hoher Auflösung bei der Verwendung einer S-D-Architektur entwickelt werden können. 

Mit Sigma-Delta-Wandlern wird der Analogeingang kontinuierlich abgetastet, wobei die Abtastungsfrequenz erheblich höher liegt als das entsprechende Band. Darüber hinaus wird Rauschen-Shaping verwendet, wodurch das Rauschen aus dem entsprechenden Band in einen Bereich verschoben wird, der nicht für den Konvertierungsprozess verwendet wird, wodurch das Rauschen im entsprechenden Band reduziert wird. Der digitale Filter dämpft alle Signale außerhalb des entsprechenden Bands.

Der digitale Filter verfügt über Abbildungen in der Abtastfrequenz und in einem Vielfachen der Abtastfrequenz. Daher sind einige externe Anti-Alias-Filter erforderlich. Aufgrund der Übertastung reicht für die meisten Anwendungen jedoch ein einfacher RC-Filter erster Ordnung aus. Die S-D-Architektur ermöglicht die Entwicklung von 24-Bit-A/D-W mit einer p-p-Auflösung von bis zu 21,7 Bit (21,7 stabile oder flimmerfreie Bits).

Filterung (50 Hz / 60 Hz Unterdrückung)

Neben der vorstehend erläuterten Unterdrückung des Rauschens ist der digitale Filter auch nützlich zur Lieferung einer 50/60 Hz-Unterdrückung. Es gibt netzgenerierte Frequenzen bei 50 Hz und ein Vielfaches davon in Europa und 60 Hz und das Vielfache davon in den USA. A/D-W mit geringer Bandbreite verwenden hauptsächlich Sinc-Filter, die so programmiert werden können, dass Stufen bei 50 Hz und/oder 60 Hz zusammen mit dem Vielfachen von 50 Hz und 60 Hz eingestellt werden, was zu einer Unterdrückung bei 50/60 Hz und dem Vielfachen davon führt. Immer häufiger gibt es die Anforderung, 50/60-Hz-Unterdrückung anzubieten unter Verwendung von Filtermethoden, die über eine geringe Einschwingzeit verfügen. In einem Mehrkanalsystem sequenziert der A/D-Wandler durch alle aktivierten Kanale und generiert für jeden eine Konvertierung. Wenn ein Kanal ausgewählt ist, ist die Einschwingzeit des Filters erforderlich, um eine gültige Konvertierung zu erzeugen. Die Anzahl der Kanäle, die in einem bestimmten Zeitraum konvertiert werden, erhöht sich, wenn die Einschwingzeit verringert wird. Der AD7124-4/AD7124-8 beinhaltet Post-Filter oder FIR-Filter, die eine gleichzeitige 50/60-Hz-Unterdrückung bei geringeren Einschwingzeiten verfügen im Vergleich zu einem Sinc³ oder Sinc⁴-Filter. Abbildung 3 zeigt eine digitale Filteroption: Dieser Post-Filter verfügt über eine Einschwingzeit von 41,53 ms und bietet gleichzeitige 50/60-Hz-Unterdrückung von 62 dB.

Abbildung 3. Frequenzgang, Post-Filter, 25 sps a) Gleichstrom bis 600 Hz, b) 40 Hz bis 70 Hz

Weitere A/D-W-Anforderungen:

Leistung

Der in einem System verbrauchte Strom hängt ab von der Endanwendung. In einigen Industrieanwendungen, wie der Temperaturüberwachung in Fabriken, ist das komplette Temperatursystem mit Sensor, A/D-W und Mikrocontroller in einer Standalone-Baugruppe enthalten, die durch eine 4 - 20 mA-Schleife mit Strom versorgt wird. Daher verfügt die Standalone-Baugruppe über ein Strom-Budget von maximal 4 mA. In tragbaren Geräten wie Gas-Analysegeräten, die zur Analyse von Gasen in Minen eingesetzt werden, muss die Temperaturmessung gemeinsam mit der Gasanalyse erfolgen. Diese Systeme werden mit einer Batterie betrieben, wobei das Ziel die Maximierung der Lebenszeit der Batterie ist. Ein wesentlicher Punkt bei diesen Geräten ist das Energiesparen, während gleichzeitig die Leistung nicht geschmälert werden darf. Bei Prozesssteuerungsanwendungen kann in der Regel mehr Strom für das System erlaubt werden. Für diese Art von Anwendung kann die Anforderung sein, dass in einem bestimmten Zeitraum durch mehr Kanäle sequenziert wird und gleichzeitig noch ein bestimmtes Leistungsniveau erzielt wird. Der AD7124-4/AD7124-8 enthält 3 Strommodi, die vom Anwender über 2 Bit in einem der Register ausgewählt werden können. Der gewählte Strommodus bestimmt den Bereich der Ausgangsdatenraten zusammen mit dem verbrauchten Strom durch die analogen On-Chip-Bausteine. Aus diesem Grund ist ein Betrieb des Teils im mittleren oder niedrigen Strommodus möglich für schleifen- oder batteriebetriebene Systeme. In Prozesssteuerungssystemen ist ein Betrieb des Teils im Vollstrommodus möglich, bei dem ein höherer Stromverbrauch zu einer besseren Leistung führt.

Diagnostik

Diagnostik wird immer wichtiger bei industriellen Anwendungen. Typische diagnostische Anforderungen sind 
- Stromversorgung / Referenzspannung / Analogeingangsüberwachung
- Erkennung offener Adern
- Konvertierung / Kalibrierungsprüfungen
- Funktionsüberprüfung von Signalketten
- Read/Write-Überwachung
- Überprüfung von Registerinhalten

Bei Systemen, die für ausfallsichere Anwendungen entworfen wurden, sparen Kunden durch On-Chip-Diagnostik bei der Zeit für das Design, bei externen Komponenten, beim Bauteilraum und bei den Kosten. Bauteile wie der AD7124-4/AD7124-8 beinhalten die oben genannte Diagnostik. Die Analyse der Auswirkungen von Ausfallmodi und die diagnostische Analyse (FMEDA) einer typischen Temperaturanwendung mit diesem Gerät hat einen sicheren Ausfallsatz (SFF) von über 90 % gemäß IEC 61508 gezeigt. In der Regel sind zwei herkömmliche A/D-W erforderlich, um diesen Abdeckungsgrad zu erzielen.

Fazit

Die A/D-W- und Systemanforderungen für ein Temperaturmessungssystems sind recht stringent.  Die analogen Signale, die durch diese Sensoren generiert werden, sind klein und müssen anhand einer Verstärkungsstufe verstärkt werden, deren Rauschen gering ist, um sicherzustellen, dass das Rauschen der Verstärkungsstufe nicht das Signal vom Sensor überlagert.  Nach dem Verstärker ist ein hochauflösender A/D-W erforderlich, damit das schwache Signal vom Sensor in digitale Informationen umgewandelt werden kann.  A/D-W, die eine -Architektur verwenden eignen sich für derartige Anwendungen, da A/D-W mit hoher Auflösung und hoher Präzision durch die Verwendung dieser Architekturen entwickelt werden können.  Neben dem A/D-W und der Verstärkungsstufe benötigt ein Temperatursystem weitere Komponenten wie Erregungsströme und Referenzpuffer.  Schließlich wird das für das System erlaubte Strom-Budget durch die Endanwendung festgelegt. Tragbare oder stromschleifengespeiste Systeme müssen stromsparende Komponenten verwenden. Dies vermindert zusammen mit der eingefügten Redundanz für ausfallsichere Systeme den möglichen Stromverbrauch pro Komponente noch weiter. Für Systeme wie Eingangsmodule wird ein bestimmtes Leistungsniveau bei höheren Durchsätzen gewünscht, was zu einer erhöhten Kanaldichte führt. Durch die Verwendung eines Geräts mit mehreren Strommodi wird die Belastungen des Verwenders verringert, indem ein A/D-W für mehrere Endsysteme verwendet werden kann, wodurch die Design-Zeit verkürzt wird.

Dieser Artikel wurde durch Analog Devices zur Verfügung gestellt und von Mary McCarthy und Aine McCarthy verfasst.