具有0.5°C精度的隔离式4通道热电偶/RTD温度测量系统

优势和特性

· 4通道热电偶/RTD测量

· 完全隔离

· 输入保护

连接/参考器件

AD7193：4通道、4.8 kHz、超低噪声、24位

ADT7310：±0.5°C精度、16位数字SPI温度传感器

AD8603：精密微功耗、低噪声、CMOS、轨到轨输入/输出

ADR3440：4.096V、微功耗、高精度基准电压源

ADG738：CMOS、低压、三线式串行控制、矩阵开关

ADG702：CMOS、低压、2 Ω单刀单掷(SPST)开关

AD5201：33位数字电位计

ADuM1280：3 kV RMS双通道数字隔离器

ADuM5401：四通道、2.5 kV隔离器，集成DC-DC转换器

评估和设计支持

电路评估板

CN-0287电路评估板(EVAL-CN0287-SDPZ)

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所示电路是一款完整的隔离式4通道温度测量电路，针对性能、输入灵活性、稳定性以及低成本而优化。它支持所有类型的热电偶(带冷结补偿)，以及电阻高达4 kΩ的任意类型RTD(电阻温度检测器，双线式、三线式或四线式连接配置)。

RTD激励电流可针对最佳噪声和线性度性能编程。

RTD测量精度达到0.1°C(典型值)，K类热电偶测量精度达0.05°C(典型值)，这是因为将16位数字温度传感器ADT7310用于冷结补偿。该电路采用4通道、24位、Σ-Δ型ADC AD7193，该器件片内集成PGA，具有高精度和低噪声特性。

由低泄露瞬变电压抑制器(TVS)和肖特基二极管提供输入瞬变和过压保护。SPI兼容型数字输入和输出均隔离(2500 V rms)，且电路采用全隔离式电源供电。

电路描述

温度测量简介

热电偶和RTD(电阻温度检测器)是最常用的传感器，用于工业应用中的温度测量。热电偶可测量极高的温度，最高可达+2300°C左右，并且响应时间快(瞬间完成测量)。RTD比热电偶具有更高的精度和稳定性，且连接远端RTD的长导线(数百米)电阻可采用三线式或四线式连接加以补偿。

热电偶由一端相连的两根不同金属线组成。将相连的一端放置在需要进行温度测量的地方，称为测量结点。另一端连接精密电压测量单元，该连接称为参考结点，或者称为冷结。测量结点和冷结之间的温差产生电压(称为塞贝克效应电压)，数值与两个结点之间的温度差有关，该温差产生的信号通常为数微伏至数十毫伏不等，具体取决于温度差值。

例如，K类热电偶可测量−200°C至+1350°C，输出范围约−10 mV至+60 mV。对于信号链而言，重要的是尽可能保持较高的阻抗和较低的漏电流，以便测得的电压具有最高的精度。若要将该电压转换为绝对温度，则必须精确知道冷结温度。一般而言，1°C至2°C便已足够，虽然由于冷结温度测量误差会直接增加绝对温度误差，但较高的冷结温度测量精度是有好处的。

RTD由纯净材料(如铂、镍或铜)制成，随温度变化而改变的电阻值可预测。最常见的RTD材料是铂(Pt100和Pt1000)。

精确测定电阻的一种方法是测量恒定电流源产生的RTD电压。将测量值折合为参考电阻两端的电压(由同一个电流驱动)，即可消除电流源中的误差(如比例测量)。最大程度降低电流路径上的漏电流对于获得高精度而言很重要，因为为了防止自发热，激励电流通常仅数百微安。

对于工业现场应用而言，高性能以及针对高压瞬变事件和直流过压条件提供保护都是重要的设计考虑因素。

本电路工作原理

图1所示电路设计用于工业现场环境中的精密温度测量应用，针对灵活性、性能、稳定性和成本进行了优化。本电路采用低噪声、24位Σ-Δ型ADC AD7193，确保整个电路具有高分辨率和线性度。

33位数字电位计AD5201、运算放大器AD8603和单通道开关ADG702构成简单可编程电流源和偏置电压缓冲器，用于RTD和热电偶测量。ADG738可将电流源路由至活动RTD通道，允许针对三线式RTD配置进行导线电阻补偿。

数字SPI温度传感器ADT7310在−40°C至+105°C温度范围内具有±0.8°C最大精度(采用+5 V电源)，用于热电偶测量中的冷结补偿。ADR3440是一款低噪声、高精度、4.096 V基准电压源，连接AD7193的REFIN1(+)/REFIN1(−)，用于热电偶测量。

模数转换器

AD7193是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端。它集成一个低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。该ADC具有高分辨率、低非线性度和低噪声性能，以及极高的50 Hz/60 Hz抑制能力。数据输出速率可在4.7 Hz(24位有效分辨率，Gain = 1)到4.8 kHz(18.6位有效分辨率，Gain = 1)范围内变化。片上低噪声PGA可将来自热电偶或RTD的差分小信号以增益1至128放大，从而允许实现直接接口。增益级