带三线式补偿的12位、300 kSPS、单电源、完全隔离式RTD温度测量系统

评估和设计支持

电路评估板

CN0337电路评估板(EVAL-CN0337-PMDZ)

SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z)

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所示电路是只采用了三个有源器件的完全隔离式12位、300 kSPS RTD温度测量系统。该系统可处理Pt100 RTD输出，集成创新电路，通过标准三线式连接实现引线补偿。该电路采用3.3 V单电源供电。室温校准后，在±10°C温度变化范围内的总误差不超过±0.24% FSR，是各种工业温度测量应用的理想之选。

对于精度、成本和尺寸极为关键的温度测量应用，该电路的小巧尺寸使得该组合成为业界领先的温度测量解决方案。数据和电源相互隔离，因而该电路具有出色的高电压耐受性，同时还能有效避免恶劣工业环境下常见的接地环路干扰问题。

这款实现三线式RTD引线补偿的创新电路，由保加利亚瓦尔纳技术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. 带隔离的电阻偏差至数字转换，使用Pt100 RTD传感器(未显示去耦和所有连接)

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电路描述

该电路的输入级是一个RTD信号调理电路，采用补偿三线式连接RTD。该电路将RTD输入电阻范围(100 至212.05 ，0°C至300°C温度范围)转换至兼容ADC输入范围(0 V至2.5 V)的电压电平。

RTD激励电流由运算放大器U1C提供，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分频器产生，进而生成VR/(R1||R2) RTD激励电流，数值约为1.05 mA。

激励电流在RTD两端产生数值约为117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的电压变化，温度变化范围为0°C至300°C。U1A运算放大器将该电压变化放大19.6倍，产生2.3 V输出范围。电阻R2与电阻R1并联，对输出范围进行电平转换，以便U1A运算放大器输出0.1 V至2.4 V，从而匹配ADC的输入范围(0 V至2.5 V)，同时提供100 mV裕量以保持线性度性能。可以修改电阻值，以适应本电路笔记后面部分所述的其他常用温度范围。

该电路设计支持单电源供电。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，温度范围为−40°C至+125°C。在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度范围更窄的情况下，保守估计最小输出电压为45 mV至60 mV。

考虑到器件的容差，最小输出电压(范围下限)设为100 mV，以提供安全裕量。输出范围的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅提供100 mV的裕量。因此，运算放大器的标称输出电压范围为0.1 V至2.4 V。

运算放大器U1B用来缓冲AD7091R (U3) ADC的内部2.5 V基准电压。

本应用中选用四通道运算放大器AD8608的原因是该器件具有低失调电压(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运算放大器提供三线式校正信号，可补偿引线电阻r1和r2产生的误差。从点A到TP1的增益为+19.6，从点B到TP1的增益为−39.2。点A处的电压含有正误差项，数值等于r1和r2上的压降。点B处的电压含有正误差项，数值等于r2上的压降，可忽略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，因此r1和r2上的压降产生的误差抵消(假定r1 = r2)。

运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R11/C9)，用于降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为