评价和规划支撑
电路评价板
CN0337电路评价板(EVAL-CN0337-PMDZ)
SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z)
体系演示渠道(EVAL-SDP-CB1Z)
规划和集成文件
原理图、布局文件、物料清单
电路功用与优势
图1所示电路是只选用了三个有源器材的彻底阻隔式12位、300 kSPS RTD温度丈量体系。该体系可处理Pt100 RTD输出，集成立异电路，经过规范三线式衔接完结引线补偿。该电路选用3.3 V单电源供电。室温校准后，在±10°C温度改变规模内的总差错不超越±0.24% FSR，是各种工业温度丈量运用的抱负之选。
关于精度、本钱和尺度极为要害的温度丈量运用，该电路的细巧尺度使得该组合成为业界抢先的温度丈量解决方案。数据和电源彼此阻隔，因而该电路具有超卓的高电压耐受性，一同还能有用防止恶劣工业环境下常见的接地环路搅扰问题。
这款完结三线式RTD引线补偿的立异电路，由保加利亚瓦尔纳技能大学电子工程和微电子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程师和博士生Stanimir Krasimirov Stankov开发。
图1. 带阻隔的电阻差错至数字转化，运用Pt100 RTD传感器(未显现去耦和一切衔接)
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电路描绘
该电路的输入级是一个RTD信号调度电路，选用补偿三线式衔接RTD。该电路将RTD输入电阻规模(100 至212.05 ，0°C至300°C温度规模)转化至兼容ADC输入规模(0 V至2.5 V)的电压电平。
RTD鼓励电流由运算扩大器U1C供给，等于四通道AD8608的四分之一。100 mV基准电压VR由2.5 V ADC基准电压驱动的R8/R9分频器发生，然后生成VR/(R1||R2) RTD鼓励电流，数值约为1.05 mA。
鼓励电流在RTD两头发生数值约为117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的电压改变，温度改变规模为0°C至300°C。U1A运算扩大器将该电压改变扩大19.6倍，发生2.3 V输出规模。电阻R2与电阻R1并联，对输出规模进行电平转化，以便U1A运算扩大器输出0.1 V至2.4 V，然后匹配ADC的输入规模(0 V至2.5 V)，一同供给100 mV裕量以坚持线性度功用。能够修正电阻值，以习惯本电路笔记后边部分所述的其他常用温度规模。
该电路规划支撑单电源供电。AD8608的最小额定输出电压为50 mV(2.7 V电源)和290 mV(5 V电源)，负载电流为10 mA，温度规模为−40°C至+125°C。在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度规模更窄的情况下，保存估量最小输出电压为45 mV至60 mV。
考虑到器材的容差，最小输出电压(规模下限)设为100 mV，以供给安全裕量。输出规模的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅供给100 mV的裕量。因而，运算扩大器的标称输出电压规模为0.1 V至2.4 V。
运算扩大器U1B用来缓冲AD7091R (U3) ADC的内部2.5 V基准电压。
本运用中选用四通道运算扩大器AD8608的原因是该器材具有低失调电压(最大值75 µV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V电源下，功耗仅为18.5 mW。
U1D运算扩大器供给三线式校对信号，可补偿引线电阻r1和r2发生的差错。从点A到TP1的增益为+19.6，从点B到TP1的增益为−39.2。点A处的电压含有正差错项，数值等于r1和r2上的压降。点B处的电压含有正差错项，数值等于r2上的压降，可疏忽r3上的小数值压降。由于点B到TP1的增益为负且数值等于点A到TP1增益的两倍，因而r1和r2上的压降发生的差错抵消(假定r1 = r2)。
运算扩大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R11/C9)，用于下降带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz。在有低频工业噪声的情况下，额定的二阶滤波器(添加电容C10和C11)用于下降滤波器截止频率。此刻，AD7091R将不会作业在最大吞吐速率下。为了提高转化速度，请勿填充C10和C11。
挑选AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是由于其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，仅为349 μA，明显低于当时市场上竞争对手的任何ADC。AD7091R还内置一个2.5 V的基准电压源，其典型漂移为±4.5 ppm/oC。输入带宽为7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R选用小型10引脚MSOP封装。
选用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包括ADuM5401阻隔器)约为20 mW。
电流阻隔由四通道数字阻隔器ADuM5401(C级)供给。除了阻隔输出数据以外，ADuM5401还为该电路供给阻隔+3.3 V电源。除非需求阻隔，不然电路正常运行时并不需求ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV阻隔器集成DC/DC转化器，选用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。
AD7091R需求50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能完结1 MSPS的采样速率。但是，ADuM5401(C级)阻隔器的最大数据速率为25 Mbps，对应的最大串行时钟频率为12.5 MHz。别的，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因而，ADuM5401的总双向传达推迟(最大值120 ns)将时钟上限约束在1/120 ns = 8.3 MHz。
虽然AD7091R是一款12位ADC，但串行数据相同被格局化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因而，采样周期TS包括AD7091R 650 ns的转化时刻加上58 ns(数据手册要求的额定时刻，t1推迟 + tQUIET推迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。
为了供给安全裕量，主张将SCLK和采样速率的最大值别离设为7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口能够用12引脚且兼容Pmod的衔接器(Digilent Pmod规范)衔接到微处理器评价板。
图2. 选用三线式衔接的RTD信号调度电路
电路规划
图2所示电路可将100 Ω至212.05 Ω的RTD电阻改变转化为0.1 V至2.4 V的输出电压改变，兼容ADC输入规模。此外，该电路还可消除与导线电阻r1和r2有关的差错。
图2中电路的传递函数可经过叠加原理得到：
等式3显现若满意等式2，则引脚线路电阻彻底得到补偿。经过调理R4/R3的份额，可将增益设为所需的数值。
增益、输出失调、电阻值和容差的核算
若温度规模为
0°C至300oC，则RTD Pt100电阻规模为100 Ω至212.05 Ω，且图2中电路的输入电阻改变ΔR为0 Ω至112.05 Ω。因而，由等式3得到的电路增益为：
现在，有必要将电路的输出失调设为0.1 V。使输出发生偏移的一种简略办法是让电阻R1′略为低于R0。留意，这样会成份额影响增益。0.1 V输出失调约为2.3 V总规模的4.35%，因而份额R1′/R0有必要低于0.9565。若要坚持高输出电平为2.4 V，则份额R4/R3可按份额校对。例如，R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 kΩ。运用图1中的规范电阻值，则电路能够供给所需增益和输出失调的杰出近似值。经过将电阻R2 = 1.91 kΩ与电阻R1 = 100 Ω并联衔接，可构成R1′。
关于任何其他温度规模，或任何其他温度传感器而言(比方Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000)，电阻值有必要如下所示从头核算：
精度剖析
等式1标明一切电阻都会对总差错发生影响。假如细心挑选这些值，因运用替代规范值电阻导致的总差错可降至几个百分点以下。但是，应经过等式1来从头核算U1A运算扩大器在100 Ω和212.05 Ω输入下的输出，以保证保持所需裕量。在实践电路中，挑选最接近现有规范的电阻值。电阻Rl、R2、R8和R9为0.1%、25 ppm/°C。电路中的其他电阻为1%、100 ppm/°C：R3、R4、R5、R6和R12。
这类电路的肯定精度首要取决于电阻，因而，需求进行增益和失调校准，以消除因替代规范值电阻和电阻容差导致的差错。
电阻温度系数对总差错的影响
公式1标明，输出电压与以下九个电阻相关：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。
236 ppm/°C的满量程漂移对应于0.024% FSR/°C。若温度发生±10°C改变，则差错为±0.24% FSR。
若悉数九个电阻均选用25 ppm/°C电阻，则可下降满量程漂移至大约80 ppm/°C(或许0.008% FSR/°C)。
完结校准进程后，电阻容差导致的差错、AD8608运算扩大器(75 µV)以及ADC AD7091R发生的失调均被消除。仍然有必要核算并验证运算扩大器输出在所需的规模内。
有源元件温度系数对总差错的影响
AD8608运算扩大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失调由校准程序消除。
ADC AD7091R内置基准电压源的失调漂移典型值为4.5 ppm/°C，最大值为25 ppm/°C。
AD8608运算扩大器的失调漂移典型值为1 μV/°C，最大值为4.5 μV/°C。
请留意，假如选用50 ppm/°C或100 ppm/°C电阻，则总漂移的最大来历是电阻漂移，有源元件发生的漂移可疏忽。
引脚线路电阻补偿
图1中的电路可针对引脚线路电阻(r1、r2和r3)进行彻底补偿。但是，若等式3有任何失配，则引脚线路r1和r2会对丈量发生差错。第三个引脚线路r3不会对电路发生影响，由于它与U1D的高阻抗输入相连。
电路的线性度不受引脚线路r1和r2的影响，哪怕等式3有失配。
RTD线性化
图1中的电路就RTD的电阻改变而言是线性的。但是，RTD传递函数(电阻与温度的联系)对错线性的。因而，需求进行线性化，以消除RTD的非线性差错。关于涉及到微控制器的体系而言，一般选用软件来完结线性化。AN-709运用笔记评论了有关Pt100 RTD传感器的部分线性化技能。CN0337评价软件中选用了相同的技能来消除Pt100传感器的非线性差错。
PCB布局考虑
在任何重视精度的电路中，有必要细心考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽或许阻隔数字部分和模仿部分。该体系的PCB选用简略的双层板堆叠而成，但选用4层板能够得到更好的EMS功用。有关布局和接地的具体论说，请拜见MT-031攻略;有关去耦技能的信息，请拜见MT-101攻略。AD8608的电源应当用10 μF和0.1 μF电容去耦，以恰当按捺噪声并减小纹波。这些电容应尽或许接近相应器材，0.1 μF电容应具有低ESR值。关于一切高频去耦，主张运用陶瓷电容。电源走线有必要尽或许宽，以供给低阻抗途径，并减小电源线路上的毛刺效应。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转化器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请留意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需求低ESR旁路电容，这些电容应尽或许接近芯片焊盘。为了按捺噪声并下降纹波，至少需求并联两个电容。针对VDD1和VISO，引荐的电容值是0.1 μF和10 μF。较小的电容有必要具有低ESR，主张运用陶瓷电容。低ESR电容结尾到输入电源引脚的走线总长不得超越2 mm。假如旁路%&&&&&%的走线长度超越2 mm，或许会损坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间完结旁路，除非两个公共地引脚接近封装连在一同。更多信息请参阅ADuM5401数据手册。
有关完好文档包，包括原理图、电路板布局和物料清单(BOM)，请参阅：www.analog.com/CN0337-DesignSupport
高电压才能
这款PCB根据2500 V根本绝缘规范而规划。不主张进行2500 V以上的高电压测验。在高电压下运用该评价板时有必要慎重，并且不得依靠该PCB来完结安全功用，由于它未经过高电位测验(也称为高压测验或耐压绝缘测验)，也未经过安全认证。
常见改变
经验证，选用图中所示的元件值，该电路能够稳定地作业，并具有杰出的精度。可在该装备中选用其他精细运算扩大器和其他ADC，以将电阻差错输入规模转化成数字输出，用于本电路的各种其他运用中。
可根据“电路规划”部分的主张，针对0°C至300oC规模以外的输入温度从头规划图1中的电路。表1显现运用Pt100 RTD传感器时，部分规范温度规模的核算结果。
表1. 常见温度规模的电阻值1
AD7091与AD7091R相似，但没有基准电压输出，并且输入规模等于电源电压。AD7091可与2.5 V ADR391基准电压源合作运用。ADR391不需求缓冲。
ADR391是一款精细2.5 V带隙基准电压源，具有低功耗、高精度(温度漂移为9 ppm/°C)等特性，选用微型TSOT封装。
AD8605和AD8606别离是四通道AD8608的单通道和双通道版别，可按不同装备的需求替代AD8608运用。
AD8601、AD8602和AD8604别离为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源扩大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，能够替代AD8605、AD8606和AD8608。
AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需求300 kSPS吞吐速率的情况下，能够与ADR391基准电压源相合作，用于替代AD7091R。
电路评价与测验
本电路选用EVAL-CN0337-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z体系演示渠道(SDP)评价板。转接板SDP- PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z选用120引脚对接衔接器。转接板和EVAL-CN0337-PMDZ板选用12引脚Pmod对接衔接器，可快速进行设置和评价电路功用。EVAL-CN0337-PMDZ板包括待评价电路，如本笔记所述。SDP评价板与CN0337评价软件一同运用，可从EVAL-CN0337-PMDZ电路板获取数据。
设备要求
• 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7/8(64位或32位)PC
• EVAL-CN0337-PMDZ电路评价板
• EVAL-SDP-CB1Z SDP评价板
• SDP-PMD-IB1Z转接板
• CN0337评价软件
• 十倍频程精细电阻箱或Pt100传感器(若无电阻箱，可执行校准进程)
开始运用
将CN0337评价软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评价软件。也能够从CN0337评价软件中下载最新版的评价软件。翻开“My Computer”，找到包括评价软件光盘的驱动器，翻开setup.exe文件。依照屏幕提示完结装置。主张将一切软件装置在默许方位。
功用框图
图4显现测验设置的功用框图。
设置
1. 经过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流电源)衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
2. 经过120引脚衔接器A将SDP-PMD-IB1Z(转接板)衔接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)。
3. 经过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)衔接到PC。
4. 经过12引脚接头Pmod衔接器将EVAL-CN0337-PMDZ评价板衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
5. 经过端子板J2将十倍频程电阻箱(Pt100传感器)衔接到EVAL-CN0337-PMDZ评价板。
测验
发动评价软件。假如“设备管理器”中呈现“Analog Devices System Development Platform(ADI体系开发渠道)”驱动器，软件便能与SDP板通讯。一旦USB通讯树立，就能够运用SDP板来发送、接纳、捕捉来自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行数据。可将输入温度值(电阻值)等各种数据保存到电脑中。有关怎么运用评价软件来捕捉数据的具体信息，请参阅CN0337软件用户攻略。
图4. 测验设置功用框图
图5. EVAL-CN0337-PMDZ评价板相片
了解概况
CN0337规划支撑包：http://www.analog.com/CN0337-DesignSupport
AN-709运用笔记：运用ADuC8xx MicroConverter完结RTD接口和线性化，ADI公司。
Baoxing Chen、John Wynne和Ronn Kliger，选用微型片内变压器的高速数字阻隔器，ADI公司，2003年
Baoxing Chen，选用isoPower™技能的iCoupler®产品：使用微变压器跨过阻隔栅完结信号和功率传输，ADI公司，2006年
Rich Ghiorse，运用笔记AN-825：iCoupler®阻隔产品的电源考虑要素，ADI公司。
David Krakauer，数字阻隔供给紧凑的低本钱解决方案，活跃应对规划应战，模仿对话，第40卷，2006年12月
攻略MT-031：完结数据转化器的接地并解开AGND和DGND的疑团，ADI公司。
攻略MT-101：去耦技能，ADI公司
Scott Wayne，iCoupler®数字阻隔器维护工业、仪器仪表和核算机运用中的RS-232、RS-485和CAN总线，模仿对话，第39卷第4期，2005年
数据手册和评价板
AD8608数据手册
AD7091R数据手册
ADuM5401数据手册
修订前史
2014年3月—修订版0：初始版
