PDF《电路笔记 CN-0381》

电路笔记 CN-0381 Circuits from the Lab? reference designs are engineered and testedforquickandeasysystemintegrationtohelpsolvetoday'

s analog, mixed-signal, and RF design challenges.

For more informationand/orsupport,visitwww.analog.com/CN0381. 连接/参考器件 AD7124-4/ AD7124-8 集成PGA和基准电压源的4通道/ 8通道、低噪声、低功耗24位Σ-Δ型ADC ADP1720

50 mA、高压、微功耗线性稳压器 采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4线RTD测量系统 Rev.

0 CircuitsfromtheLabreferencedesignsfromAnalogDeviceshavebeendesignedandbuiltbyAnalog Devicesengineers.Standardengineeringpracticeshavebeenemployedinthedesignandconstruction ofeachcircuit,andtheirfunctionandperformancehavebeentestedandveri edinalabenvironment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitabilityandapplicabilityforyouruseandapplication.Accordingly,innoeventshallAnalogDevices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits.(Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ?2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 评估和设计支持 电路评估板 AD7124-4评估板(EVAL-AD7124-4SDZ)或AD7124-8评估板 (EVAL-AD7124-8SDZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 电路功能与优势 图1所示电路是一个集成的4线式电阻温度检测器(RTD)系统,基于AD7124-4/AD7124-8低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型ADC,针对高精度测量应用而优化.采用两点校准和线性 化,在?50°C至+200°C的温度范围内,4线系统的整体精度 优于±1°C.在全功率模式、选择sinc4 滤波器、输出数据速率 为50 SPS的条件下,系统的典型无噪声码分辨率为17.9位;

在低功耗模式、选择后置滤波器、输出数据速率为25 SPS 的条件下,系统的典型无噪声码分辨率为17.3位. AD7124-4可配置为4个差分或7个伪差分输入通道,而AD7124-8可配置为8个差分或15个伪差分输入通道.片内 可编程增益 阵列(PGA)确保ADC中可直接输入小信号. AD7124-4/AD7124-8提供最高的信号链集成度,其中包括 可编程低漂移激励电流源.片内集成了RTD测量系统需要 的大部分构建模块,因而能够大大简化RTD系统设计. AD7124-4/AD7124-8允许用户灵活地使用三种集成功耗模 式中的一种,电流消耗、输出数据速率范围和均方根噪声 与所选的功耗模式相对应.低功耗模式下,AD7124-4/ AD7124-8的功耗仅255 μA,全功率模式下为930 μA.这些 功耗选项使得该器件既适合功耗不重要的应用,如输入/输 出模块,也适合低功耗应用,如环路供电智能变送器(整个 变送器的功耗必须低于4 mA). 该器件还具有关断选项.在关断模式下,整个ADC及其辅助 功能均关断,器件的典型功耗降至1μA.AD7124-4/AD7124-8 还集成了丰富的诊断功能,作为全面特性组合的一部分. CN-0381 Rev.

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10 图1. 4线RTD测量配置 图2. Pt100 RTD电阻与温度的关系 ADP1720 3.3V OUTPUT ADP1720ARMZ-R7 1.8V OUTPUT GND GND GND AD7124-4/ AD7124-8 AIN0 AIN2 AIN3 REFIN1(+) REFIN1(C) Pt100 5.11k? 0.1% ±15ppm/°C CLK AVDD AVSS IOVDD DOUT/RDY SCLK CS DIN SYNC DGND REGCAPA REGCAPD 250? REFERENCE BUFFER HEADROOM 0.1?F 0.01?F 0.01?F 1k? 1k? 1k? 0.01?F 0.01?F 1k? 0.1?F RL2 RL3 RL4 RL1 GND IN OUT EN GND 7V TO 9V VIN GND GND GND ADJ IN OUT EN GND 57.6k? 27k? 4.7?F 1?F 0.1?F 4.7?F 4.7?F 0.1?F 10?F ADP1720 3.3V OUTPUT GND GND GND GND 4.7?F 4.7?F 0.1?F 0.1?F AD7124 USB POWER STATUS LED ADSP-BF527 SDP-B LED 0.1?F REFERENCE RESISTOR GND IN OUT EN 13441-001

350 300

250 200 RESISTANCE ( ? )

150 100

50 C200

0 200 TEMPERATURE (°C)

400 600

0 13441-002 电路描述 RTD温度测量简介 RTD是工业应用中温度测量常用的传感器.RTD由纯金属 (如铂、镍或铜)制成,其电阻随温度的变化是可预测的. 最常用的RTD是铂Pt100和Pt1000.与其它类型的温度传感 器相比,RTD具有高精度和良好的稳定性.长导线的电阻 所引起的误差可利用4线连接来消除. 为了精确测定电阻,须利用一个恒定电流源在RTD上产生 一个电压.AD7124-4/AD7124-8提供两个这样的激励电流 源,可通过寄存器编程将其设置为50 μA到1 mA的值.将测 量值折合为精密参考电阻两端的电压(由同一个电流驱 动),即可轻易消除电流源中的误差,实现比例测量. 图1所示电路使用Pt100 RTD B类传感器.Pt100 RTD的温度 测量范围是?200°C至+600°C.B类RTD在0°C时的电阻典型 值为100 Ω,典型温度系数约为0.385 Ω/°C(参见图2).利用 此信息,根据所选的电流源很容易计算出Pt100 RTD两端产 生的电压. CN-0381 Rev.

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10 图3. AD7124-4/AD7124-8 EVAL+软件配置窗口 图4. 4线RTD测量的模拟输入配置 13441-003 AD7124-4/ AD7124-8 IOUT0 (AIN0) AIN2 AIN3 REFIN1(+) REFIN1(C) Pt100 5.11k? 0.1% ±15ppm/°C 250? REFERENCE BUFFER HEADROOM 0.1?F 0.01?F 0.01?F 1k? 1k? 1k? 0.01?F 0.01?F 1k? 0.1?F RL2 RL3 RL4 RL1 REFERENCE RESISTOR 13441-004 电路工作原理 AD7124-4/AD7124-8提供集成式RTD测量解决方案,可实 现高分辨率、低非线性度误差和低噪声性能,以及极高的

50 Hz/60 Hz抑制能力.AD7124-4/AD7124-8片内集成低噪声 PGA,可放大RTD的小信号,增益编程范围为1到128,因 而可以直接与传感器接口.增益级具有高输入阻抗,输入漏 电流在全功率模式下不超过3.3 nA,在低功耗模式下为1 nA (典型值).下面说明构成4线RTD温度测量系统的不同元件. 电源 AD7124-4/AD7124-8具有单独的模拟电源和数字电源.数 字电源IOVDD 独立于模拟电源,可以为1.65 V至3.6 V范围内 的值(以DGND为基准).模拟电源AVDD 以AVSS 为基准,范 围是2.7 V到3.6 V(中低功率模式)或2.9 V至3.6 V(全功率模 式).图1所示电路采用单电源供电,因此AVSS 与DGND相连,仅使用一个接地层.AVDD 和IOVDD 电压利用低压差稳 压器ADP1720分别产生.AVDD 电压设置为3.3 V,IOVDD 电压 设置为1.8 V,采用ADP1720稳压器.使用单独的稳压器可确 保噪声最低. 串行外设接口(SPI) 与AD7124-4/AD7124-8的SPI通信由EVAL-SDP-CB1Z板上的 Black n? ADSP-BF527处理,如图1所示.为了访问AD7124-4/ AD7124-8的寄存器,使用AD7124-4/AD7124-8 EVAL+软件. 图3显示了该软件的主窗口.单击4-WIRE RTD(4线RTD)按 钮以配置软件用于4线RTD测量. AD7124-4/AD7124-8的片内诊断功能可用来检测SPI通信故 障.这些诊断包括检查SPI读写操作,确保仅访问有效寄存 器.SCLK计数器确保使用正确数量的SCLK脉冲,而CRC 功能检查传输期间位值有无变化.当任一SPI通信诊断功能 使能且发生相关的错误时,错误寄存器中的对应标志就会 置1.所有使能的标志进行或运算,以控制状态寄存器的 ERR标志位.该功能在将状态位附加到ADC转换结果时特 别有用. 模拟输入和基准电压源 AD7124-4可配置为4个差分或7个伪差分输入通道,而AD7124-8可配置为8个差分或15个伪差分输入通道. AD7124-4/AD7124-8的片内诊断功能可用来检查模拟引脚 上的电平是否在额定工作范围以内.正(AINP)和负(AINM)模拟输入可以单独检查是否发生过压和欠压,以及 ADC是否饱和.当模拟输入上的电压超过AVDD 时,过压标 志就会置1;

当模拟输入上的电压低于AVSS 时,欠压标志就 会置1. 图1所示电路利用3个模拟引脚实现4线测量: AIN

0、AIN2 和AIN3.AIN2和AIN3配置为全差分输入通道,用于检测 RTD上的电压.用于激励RTD的激励电流源由AVDD 产生, 并流向AIN0.图4详细显示了模拟引脚及其配置. CN-0381 Rev.

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10 5.11 k? * 激励电流 = 5.11 k? *

500 ?A = 2.555 V 数字和模拟滤波 对于图1所示电路,所用的基准输入为REFIN1(±).流经 RTD的电流也会流过精密基准电阻,产生基准电压.此精 密基准电阻上产生的电压与RTD上的电压成比例,因此, 激励电流的波动会被消除.由于缓冲器已使能,务必满足 正常工作所需的裕量(AVDD ? 0.1 V和AVSS + 0.1 V).0.125 V (500 μA *

250 Ω)的裕量由250 Ω接地电阻提供,如图4所示. 差分滤波器(截止频率约为800 Hz)和共模滤波器(截止频率 约为16 kHz)在模拟输入端和基准输入端实现.为了抑制调 制器频率及其倍数处的干扰,必须使用这种滤波. AD7124-4/AD7124-8在片内数字滤波方面拥有很大的灵活 性.有多种滤波器选项可用,所选的滤波器会影响输出数 据速率、建立时间和50 Hz/60 Hz抑制性能.对于此电路笔 记,电路实现了sinc4 滤波器和后置滤波器.之所以使用 sinc4 滤波器,是因为它在整个输出数据速率范围内具有出 色的噪声性能,另外还有出色的50 Hz/60 Hz抑制性能.后 置滤波器提供50 Hz和60 Hz同时抑制,建立时间为40 ms. 校准 AD7124-4/AD7124-8提供不同的校准模式,通过校准可消 除失调和增益误差.对于本电路笔记,电路使用了内部零 电平校准和内部满量程校准. 4线RTD配置 图1所示电路使用AD7124-4/AD7124-8进行精密4线RTD测量.4线RTD测量需要一个激励电流源.AD7124-4/AD7124-8 提供两个匹配电流源,可使用其中任何一个来激励RTD. RTD产生低电平电压信号,AD7124-4/AD7124-8的片内 PGA将其放大.放大后的电压通过24位Σ-Δ型ADC转换为 精密数字信号. 本4线RTD电路采用B类RTD.如果片内激励电流设置 为500 μA,在最高温度600°C时,RTD上产生的电压约为 156.85 mV.为确保使用AD7124-4/AD7124-8的最大范围, PGA增益设置为16.PGA将RTD传感器最大输出电压放大 至2.5096 V. 选择适当的外部精密电阻值,使RTD上产生的最大电压等 于基准电压除以PGA增益. 因此使用5.11 kΩ电阻,其给出的基准电压为 利用AD7124-4/AD7124-8进行4线RTD测量时,还必须考虑 激励电流源的输出顺从电压.输出顺从电压取决于所选的 激励电流.本电路选择500 μA,其输出顺从电压为AVDD ? 0.37 V.本电路的AVDD 电源电压为3.3 V,因此,激励电流 源的输出顺从电压必须低于2.93 V.从上述计算可知,电路 满足这一要求,因为AIN0引脚的最大电压等于精密基准电 阻上的电压加上RTD上的电压和裕量电阻上的电压. 针对4线RTD测量的AD7124-4/AD7124-8配置如下: ? 差分输入: AINP = AIN2,AINM = AIN3 ? 激励电流:IOUT0 = AIN0 =

500 μA ? 增益 =

16 ? 精密基准电阻:5.11 kΩ ? 数字滤波: o Sinc4 滤波器(全功率模式) o 后置滤波器(低功耗模式) 当ADC工作在双极性差分模式时,计算RTD电阻RRTD 的通 用表达式如下所示: 其中: CODE为ADC输出码. N为ADC的分辨率(本电路为24). RREF 为基准电阻. G为所选增益. 根据B类RTD的规格,电阻变化约为0.385 Ω/°C.可利用此 关系快速获得RTD的近似温度.由于RTD的温度系数在整 个温度范围内略有变化,因此上述方法不够精确,但可以 利用它来快速检查温度. 要计算近似温度,请使用公式2. CN-038........