串联电阻式温度检测器 (RTD) 感应参考设计
说明
资源
| TIDA-060042 | 设计文件夹 |
| ADS1282-SP | 产品文件夹 |
| LMP7704-SP | 产品文件夹 |
| TPS7A4501-SP | 产品文件夹 |
特性
- 测量多达 10 个不同位置的温度
- 比例式温度检测
- 99.93% 的精度
- 不使用缓冲器
- 尺寸小、成本低
1 系统说明
此参考设计展示了一个温度检测系统，可以测量 10 个不同位置的温度。该系统由 TIDA-060042 和 ADS1282EVM-PDK 组成。TIDA-060042 是一个电阻温度检测器 (RTD) 板，串联连接 10 个 RTD。如图 2-1 中所示，每个 RTD 输出与其电阻成比例的差分信号，并由 ADS1282EVM-PDK 用于温度计算。由于 ADS1282-SP 的输入阻抗较大，在不进行校准或不使用任何缓冲器的情况下，测量精度大于 99.93%。与传统的空间温度测量电路相比，该电路不仅更加灵活和准确，并且由于减少了缓冲器的使用，而体积更小，成本更低。
2 系统概述
表 2-1 详细介绍了 RTD 电路板 TIDA-060042，此款电路板用于连接 ADS1282EVM-PDK 以测量温度。
| 网名称 | 说明 | 值 | 单位 | 误差 [%] | |
|---|---|---|---|---|---|
| 电源 | 5V_in | RTD 电路板电源 | 5 | V | N/A |
| 输入 | Rref | 设置 ADS1282EVM 的 Vref | 4.76，IRTD(1) ≈ 0.5mA | kOhm | 0.05% |
| IRTD ≈ 1mA 时为 2.18 | |||||
| IRTD ≈ 1.5mA 时为 1.1 | |||||
| Rset | 设置所有 RTD 和 Rref 的电流 | IRTD ≈ 0.5mA 时为 1.5k | Ω | 0.05% | |
| IRTD ≈ 1mA 时为 750 | |||||
| IRTD ≈ 1.5mA 时为 500 | |||||
| RTD1 至 RTD10 | 位于不同位置的 10 个 RTD | 0 至 135 | Ω | 0.05% | |
| 输出 | ADCin1 | RTD1 两端的电压 | 0 至 Vref(1)/(2* 增益(1)) | V | 0.1% |
| ADCin2 | RTD2 两端的电压 | 0 至 Vref/（2* 增益） | V | 0.1% |
所有 RTD、Rset 和 Rref 的电流，如图 2-1 中所示
Vref 是图 2-1 中 Rref 两端的电压
ADS1282-SP 可编程增益放大器 (PGA) 增益，可以设置为 1、2、4、8、16、32 和 64
2.1 方框图
此参考设计在 PCB 上使用等效的商用器件，而不是全航天级 IC，进行电气性能评估。与航天级 IC 相比，商用器件具有相似的电气特性，但不具有耐辐射能力。此外，ADS1282-SP 不会放置在 TIDA-060042 上。相反，TIDA-060042 用于连接到 ADS1282EVM-PDK 进行温度测量。图 2-1 演示了推荐的综合方框图，图 2-2 演示了 RTD 板 TIDA-060042 如何连接到 ADS1282EVM-PDK 进行温度测量。
LMP7704-SP 是一款轨到轨输入和输出运算放大器，可为每个 RTD 以及 Rset 和 Rref 提供固定电流。Rset 的值将设置串联电阻所吸收的电流，因此要调整电流，需要修改 Rset。偏置电压设置为 0.75V。Rref 两端的电压是用于设置 ADC 满量程 (FSR) 的 ADS1282-SP 基准电压。与图 2-1 相比，图 2-2 删除了多路复用器。仅 RTD1 和 RTD10 连接到 ADS1282EVM-PDK，用于评估共模电压 (Vcm) 对测量结果的影响。
2.2 设计注意事项
如图 2-2 所示，TIDA-060042 用于连接到 ADS1282EVM-PDK，以监测 RTD1和 RTD10 两端的电压。TIDA-060042 可以通过两种不同的方式测量 RTD 电压：使用或不使用缓冲器。缓冲器作为选件提供，但本参考设计的主要关注点是在不使用任何缓冲器的情况下评估 ADS1282-SP。以下各节介绍了计算 Rset、Rref 和内部 ADC 增益的公式，以及显示在 TIDA-060042 和 ADS1282EVM-PDK 之间连接模拟多路复用器的影响的仿真。
2.2.1 Rset、Rref 和增益计算
ADS1282-SP 输入范围为 AVSS 以上 0.7V，AVDD 以下 1.25V。AVDD 设置为 5V 时，ADS1282EVM-PDK 接受 0.7V 至 3.75V 的输入。在 TIDA-060042 中，图 2-1 中的偏置电压设置为 0.75V。根据所需的 RTD 电流 (IRTD)，使用Equation1 计算 Rset。
使用最大 RTD 电阻（在本设计中为 135Ω）时，Rref 和 Gain 通过两个公式（Equation2 和Equation3）计算。
确认 Rset、Rref 和增益后，每个 RTD 使用的正 ADC FSR 的百分比将通过Equation4 计算。为了获得更高性能，Rref 最好尽可能小，以充分利用正 FSR。
2.2.2 模拟多路复用器效果
模拟多路复用器 (Mux) 不在设计硬件中实现，但通过仿真考虑了多路复用器。
图 2-3 模拟多路复用器效果仿真| 不带多路复用器 | 带多路复用器 | 差异百分比 | |
|---|---|---|---|
| ADCin1 [mV] | 179.070457 | 179.07009 | 0.0002% |
| ADCin2 [mV] | 29.845079 | 29.845018 | 0.0002% |
如图 2-3 和表 2-2 中所示，RTD 电路板是使用和不使用多路复用器进行仿真的，其原理图显示在图的左右两侧，并以红色和黑色圈出仿真结果。为了模拟多路复用器，添加了一个表示 MUX 导通电阻的电阻器，并将其设置为 1kΩ，从而允许每个通道之间存在 50Ω 的差异。由于 ADS1282-SP 在启用 PGA 斩波的情况下具有 1GΩ 差分输入阻抗，因此，两个电路输出之间只有约 0.0002% 的差异。将此误差与 RTD 本身引起的误差进行比较，多路复用器产生的误差可以忽略不计，不会影响整体性能。
2.3 重点产品
以下部分描述了本设计中使用的重点产品。
2.3.1 ADS1282-SP
ADS1282-SP 是一款性能极高的单芯片模数转换器 (ADC)，配备集成式低噪声可编程增益放大器 (PGA) 和双通道输入多路复用器 (MUX)。ADS1282-SP 适用于能源勘探和地震监测等要求苛刻的环境。
2.3.2 LMP7704-SP
LMP7704-SP 是一款精密放大器，具有低输入偏置、低失调电压、2.5 MHz 增益带宽积和宽电源电压。该器件经过耐辐射处理，可在 -55°C 至 +125°C 的军用级温度范围内工作。该放大器的高直流精度，特别是 ±60µV 的低失调电压和 ±500fA 的超低输入偏置，使该器件成为连接具有高输出阻抗的精密传感器的理想选择。可以针对换能器/传感器、电桥、应变仪和跨阻放大配置该放大器。
2.3.3 TPS7A4501-SP
TPS7A4501-SP 是一款针对快速瞬态响应进行了优化的低压降 (LDO) 稳压器。5962-1222402VHA 在压降为 300mV 时可提供 750mA 的输出电流。5962R1222403VXC 在压降为 320mV 时可提供 1.5A 的输出电流。静态电流受到很好的控制；与很多其他稳压器一同工作时一样，它在压降时不上升。除了快速瞬态响应，TPS7A4501-SP 稳压器还具有极低的输出噪声，这使它更加适合灵敏射频电源应用。
表 2-3 中列出的所有 TI 器件的辐射报告都可以在其 TI.com 产品文件夹中找到。
| 器件型号 | 总电离剂量 (kRAD) | 单粒子闩锁效应抑制 (MeV-cm2/mg) |
|---|---|---|
| ADS1282-SP | 50 | 125℃ 时为 50，80℃ 时为 60 |
| LMP7704-SP | 100 | 85 |
| TPS7A4501-SP | 100 | 86 |
