不懂模拟电路设计？如何完成温度信号采集？

只看该作者 · 2023-1-24 14:35

温度传感电路是许多工业系统的重要组成部分，在温度传感元件之中，金属铂制成的热电阻PT100可保证长期稳定性，宽温度范围内最精确。本文介绍几种PT100采集电路方案，分析精密温度采集电路的设计要点。

常规的电路方案

1. 使用ADI和TI公司的高集成ADC芯片完成采集。电路需要少量的外围无源元件，先从ADC读取采样值，再在MCU中进行查表换算，将采样值换算成温度值。

2. 使用国产的信号链芯片自行搭建。随着国内基础模拟信号链芯片的日益完善，考虑使用国产器件完成同等性能的电路，如图1。这样能降低物料供应链的风险、进一步优化成本，实现温度采集，这类基础物理量采集电路的自主可控。图1电路主要由24位SD型ADC、运放、模拟开关、LDO、MCU等组成，这些基础元件的国产芯片已经成熟可用，并且有可替换的国产型号。

图1 国产信号链搭建的电路方案

搭建精密温度采集电路的要点

1. 使用比率法测量。电路实现如图2，测量精度和稳定性在理论上只与精密参考电阻相关，能够避开国产24位ADC器件自身增益误差、增益漂移等的不完美。

图2 比率法测量电路

上述电路 IEXC 为激励电流源，VRTD 是PT100两端的电压值，VREF 是ADC基准输入端的电压值，有如下两个表达式。

合并之后，得到 RRTD 的表达式。

CodeRTD 是ADC采集RTD两端电压得到的二进制代码，Codefull_scales 是ADC满量程时的二进制代码，从 RRTD 表达式可以看到， RRTD 测量值仅与Code的比率值和精密参考电阻相关。当使用10ppm电阻做为参考电阻时，该比率测量电路可以获得10ppm左右的测量电路温漂性能，却不需要精密电压基准。

2. 考虑出厂校准。在比率法中，精密参考电阻决定（找元器件现货上唯样商城）了整体电路的增益误差，精密电阻自身精确度一般为0.1%，并且比率法不能修正ADC的失调电压误差。当需要获得0.1%及更高的电路精确度时，需要对电路进行出厂校准。

3. 抗工频干扰。PT100测量电路是典型的低速精密模拟电路，1mA激励时，传感元件两端的电压值约在300mV以下，容易受到50Hz工频干扰信号影响，需要对采集数据做陷波或滤波处理。

4. 验证工作环境温度和EMC性能。搭建好的整体测量电路，需要在-40~+85℃环境温度下，验证实际测量精度和漂移；验证ESD静电放电和EFT群脉冲干扰环境下的工作稳定性，以满足工业环境应用的可靠性要求。

ZAM6222两路热电阻采集模块

ZAM6222是一款针对PT100的工业双通道热电阻测温模块，基于国产基础信号链元件和比率法进行设计，已集成完整的精密温度测量信号链路，图3为其内部框图。ZAM6222出厂基于Fluke5522A校准器的校准体系进行校准，温度检测精度可达0.02%±0.1℃，温度测量范围-200~800℃，电路温漂最大15ppm。模块支持50Hz工频干扰抑制功能，整体电路经过-40~+85℃环境温度下的测量精度和温漂验证，支持4000V的ESD和1000V的EFT性能。