具有0.5°C精度的隔离式4通道热电偶/RTD温度测量系统

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。增益级缓冲器具有高输入阻抗，并将输入漏电流限制为± 3 nA(最大值)。AD7193的增益必须根据温度范围和传感器类型进行适当配置。片内多路复用器允许四个差分输入通道共享同一个ADC内核，节省空间与成本。

用于RTD的可编程电流源以及用于热电偶的偏置电压生成电路

RTD测量要求使用低噪声电流源，以便驱动RTD和参考电阻。而另一方面，热电偶需要使用共模偏置电压，可将较小的热电偶电压转换至AD7193的输入范围内。图2所示电路同时满足这两个要求，并采用了低噪声CMOS轨到轨输入/输出运算放大器AD8603，该器件的最大输入偏置电流仅1 pA且最大失调电压为50 μV;同时，还配合使用了单通道CMOS低压2 Ω单刀单掷(SPST)开关ADG702，以及8通道矩阵开关ADG738。

开启ADG738并关断ADG702，则AD8603可用作热电偶应用中的低噪声、低输出阻抗单位增益缓冲器。将来自AD5201数字电位计的电压进行缓冲，然后用于热电偶共模电压，通常为电源电压的一半，即2.5 V。33位数字电位计AD5201采用低漂移(5 ppm/°C) 4.096 V基准电压源ADR3440驱动，以获得所需精度。

开启ADG738并关断ADG702，则AD8603产生RTD激励电流，即IEXC = VW/RREF。

温度测量是一种高精度、低速度的应用，因此有足够的建立时间可在全部4个通道间切换单个电流源，提供出色的通道间匹配性能、低成本以及较小的PCB尺寸面积。

ADG738是一款8:1多路复用器，可在通道间切换电流源。为了支持双线式、三线式和四线式RTD配置，这四个通道中的每一个都需要两个开关。

在很多应用中，RTD都有可能放置在远离测量电路的地方。长引线电阻可能会产生较大的误差，尤其用于低电阻RTD时。为了最大程度减少引线电阻效应，支持三线式RTD配置，如图3所示。

关断ADG738的S1，同时打开S2，则AD7193输入端的电压为V1。打开S1，同时关断S2，则AD7193输入端电压为V2。RTD传感器两端的电压为VRTD，而电流源的激励电流为IEXC。V1和V2包括引线电阻产生的误差，如下所示：

放大

保护电路

在制造过程中和现场使用时，都有可能产生瞬变和过压条件。为了获得较高的保护水平，有必要使用外部保护电路，补充IC的内部集成保护电路。外部保护功能会增加额外的电容、电阻和漏电流。这些效应应当仔细考虑，以获得高精度水平。额外保护电路如图5所示。

漏电流会对RTD测量造成巨大影响，应仔细考虑。当较长的热电偶引线具有极高电阻时，漏电流也会对热电偶测量产生一些误差。

本电路中，PTVS30VP1UP瞬变电压抑制器(TVS)可快速箝位任何瞬变电压至30 V(25°C时典型漏电流仅1 nA)。选择30 V TVS，以便支持30 V直流过压。使用1.69 kΩ电阻，后接低泄露BAV199LT1G肖特基二极管，用于在瞬变和直流过压事件发生时将电压箝位至5 V供电轨。在30 V直流过压条件下，1.69 kΩ电阻将流过外部二极管的电流限制为15 mA。为了确保供电轨能够吸取该电流，可使用齐纳二极管将供电轨进行箝位处理，以保证它不超过连接电源的任意IC的绝对最大额定值。选择5.6 V齐纳二极管(NZH5V6B)实现这一目的。300 Ω电阻可进一步限制有可能进入AD7193或ADG738的电流。

隔离

ADuM5401和ADuM1280使用ADI iCoupler®技术，在测量端和电路控制器端之间提供2500 V rms隔离电压。ADuM5401还提供隔离电源，用于电路的测量端。ADuM5401采用了isoPower技术，该项技术使用高频开关元件，通过变压器传输电力。设计印刷电路板(PCB)布局时应特别小心，必须符合相关辐射标准。有关电路板布局建议，请参考应用笔记AN-0971。

热电偶配置测试结果

电路的性能高度依赖于传感器和AD7193的配置。K类热电偶输出变化范围为−10 mV至+60 mV，对应温度范围为−200°C至+1350°C。AD7193 PGA配置为G = 32。PGA电压摆幅范围为−320 mV至+1.92 V，即2.24 V p-p。斩波使能时，50 Hz/60Hz噪声抑制使能，滤波器字FS[9:0] = 96，1024个样本的噪声分布直方图如图6所示。

Fluke 5700A校准仪提供分辨率为10 nV的高精度直流电压源，用于校准以及测试。图8中的电压误差位于0.2 μV理想范围内