测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

2018-11-9 10:55:24

1292 温度传感器 RTD

　　多传感器高准确度数字温度测量系统 LTC2983，可测量多种温度传感器并以数字方式输出结果 (采用 ºC 或 ºF 为单位)，具有 0.1ºC 的准确度和 0.001ºC 的分辨率。今天我们要讲的是 LTC2983 为何能够测量 18 个两线式 RTD？
　　单个 LTC2983 温度测量器件能支持多达 18个两线式RTD探头（如图 1 所示）。每个 RTD 测量包含同时检测由于电流 IS 而在 RSENSE 和 RTD 探头RTDx 两端所产生的两个电压。对每个电压进行差分检测，而且鉴于 LTC2983 拥有高共模抑制比，因此堆栈中 RTD 的数量并不会对个别测量产生不利影响。

　　图1 LTC2983 可支持 18 个 RTD 传感器

　　RTD 探头的选择取决于系统准确度和灵敏度要求。例如，假设使用的是两线式探头，则可以证明在存在配线寄生电阻的情况下 PT-1000 更加坚固。
　　一旦选定了 RTD，则应选择合适的 IS 和 RSENSE 以使电阻器堆栈顶端的电压（CH1输入端上的V）在系统的整个工作温度范围内不超过 LTC2983 的输入共模限值。该要求表达为：

　　考虑图 1 所示的系统并假设下面限制条件：5V 电源轨、所有的 RTD 探头均为 PT-100 和最大预期温度测量在 150℃。表 1 列出了用于每个 PT-100 探头的通道分配字。其中，在该例中 CH3 检测 RTD1 探头，CH4 检测 RTD2?等。连接至 CH2 的电阻器按表 2 所示进行配置。
　　表 1. CH2 至 CH20RTD 通道分配字

　　表 2.检测电阻器通道配置字

　　RTD堆栈稳定时间
　　一旦激励电流源启用，则 R 和 C 链路需要一段有限的时间以实现稳定。这就是稳定时间 tS。tS取决于每个输入节点上个别电阻器（RSENSE 和 RTD）和电容器的数量和数值。tS 的上限可通过总 RC 的集总来估测，但是这样做会得出过于悲观的结果。另一种获得 tS 的方法是简单地仿真一个电路，如图 2 所示。

　　图2 RTD堆栈的延迟线模型

　　仿真的结果如图3。这里，所有的电容器均选为 100 nF，而RSENSE 为1 kΩ。每根线代表稳定至堆栈中最后一个 RTD 两端电压之终值的 0.1% 以内所需的稳定时间tS 。对于每幅曲线图，所有的 RTD 均为同一类型。

　　图3 RTD堆栈的仿真稳定时间

　　按照默认设置，LTC2983 在激励电流源的启用和ADC转换的起始点之间插入一个延迟时间 tDELAY =1 ms。然而，当 RTD 堆栈中的 PT-100 探头数量多于 2 个时，这个延迟时间就不够了（见图 3）。
　　tDELAY 可通过设定 MUX 配置寄存器 0x0FF 中的值来增加。按照默认设置，该寄存器是清零的。寄存器值每增加一个 LSB 代表默认 tDELAY 增加 100μs。例如，把 0x10 写入 0x0FF 寄存器产生的结果是：

　　需注意的是，该可编程延迟的最大值为 26.5 ms，这对于最多 6 个 PT-1000 器件的稳定来说是足够了（假设 C=100 nF）。如图 3 和图 4 所示。

　　图4 RTD堆栈的总转换时间

　　tDELAY 在每个个别ADC周期之前插入。每个 RTD 测量包括两个 ADC 周期。于是，RTD 堆栈的总转换时间大约为：

　　式中的t DELAY 可由用户设置，tCONV在产品手册的“CompleteSystemElectricalCharacteristics”（完整的系统电特性）表中给出，其通常为 164 ms（包括默认的 MUX 延迟），N 是将要测量的 RTD 数量。tTOTAL 如图4 所示。
　　结论
　　LTC2983 能够连接至最多 18 个两线式 RTD 探头，但是一定要把由 RC 系统引起的稳定延迟考虑在内。这个问题可能会因为所用RTD探头的数量和类型而加剧。延迟问题可以运用本文提出的模型和仿真进行考察。