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

664 kHz。在有低频工业噪声的情况下，额外的二阶滤波器(增加电容C10和C11)用于降低滤波器截止频率。此时，AD7091R将不会工作在最大吞吐速率下。为了提升转换速度，请勿填充C10和C11。

选择AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因为其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，仅为349 μA，显著低于当前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采用小型10引脚MSOP封装。

采用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包括ADuM5401隔离器)约为20 mW。

电流隔离由四通道数字隔离器ADuM5401(C级)提供。除了隔离输出数据以外，ADuM5401还为该电路提供隔离+3.3 V电源。除非需要隔离，否则电路正常运行时并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔离器集成DC/DC转换器，采用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。

AD7091R需要50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能实现1 MSPS的采样速率。然而，ADuM5401(C级)隔离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。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因此，ADuM5401的总双向传播延迟(最大值120 ns)将时钟上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。

尽管AD7091R是一款12位ADC，但串行数据同样被格式化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因此，采样周期TS包括AD7091R 650 ns的转换时间加上58 ns(数据手册要求的额外时间，t1延迟 + tQUIET延迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

为了提供安全裕量，建议将SCLK和采样速率的最大值分别设为7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口可以用12引脚且兼容Pmod的连接器(Digilent Pmod规格)连接到微处理器评估板。

图2. 采用三线式连接的RTD信号调理电路

电路设计

图2所示电路可将100 Ω至212.05 Ω的RTD电阻变化转换为0.1 V至2.4 V的输出电压变化，兼容ADC输入范围。此外，该电路还可消除与导线电阻r1和r2有关的误差。

图2中电路的传递函数可通过叠加原理得到：

等式3显示若满足等式2，则引脚线路电阻完全得到补偿。通过调节R4/R3的比例，可将增益设为所需的数值。

增益、输出失调、电阻值和容差的计算

若温度范围为

0°C至300oC，则RTD Pt100电阻范围为100 Ω至212.05 Ω，且图2中电路的输入电阻变化ΔR为0 Ω至112.05 Ω。因此，由等式3得到的电路增益为：

现在，必须将电路的输出失调设为0.1 V。使输出发生偏移的一种简单方法是让电阻R1′略为低于R0。注意，这样会成比例影响增益。0.1 V输出失调约为2.3 V总范围的4.35%，因此比例R1′/R0必须低于0.9565。若要保持高输出电平为2.4 V，则比例R4/R3可按比例校正。例如，R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 kΩ。使用图1中的标准电阻值，则电路能够提供所需增益和输出失调的良好近似值。通过将电阻R2 = 1.91 kΩ与电阻R1 = 100 Ω并联连接，可形成R1′。

对于任何其他温度范围，或任何其他温度传感器而言(比如Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000)，电阻值必须如下所示重新计算：

精度分析

等式1表示所有电阻都会对总误差产生影响。如果仔细选择这些值，因使用替代标准值电阻导致的总误差可降至几个百分点以下。然而，应通过等式1来重新计算U1A运算放大器在100 Ω和212.05 Ω输入下的输出，以确保维持所需裕量。在实际电路中，选择最接近现有标准的电阻值。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。

这类电路的绝对精度主要取决于电阻，因此，需要进行增益和失调校准，以消除因替代标准值电阻和电阻容差导致的误差。

电阻温度系数对总误差的影响

公式1表明，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变化，则误差为±0.24% FSR。

若全部九个电阻均采用25 ppm/°C电阻，则可降低满量程漂移至大约80 ppm/°C(或者0.008% FSR/°C)。

完成校准过程后，电阻容差导致的误差、AD8608运算放大器(75 µV)以及ADC AD7091R产生的失调均被消除。依然有必要计算并验证运算放大器输出在所需的范围内。

有源元件温度系数对总误差的影响

AD8608运算放大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失调由校准程序消除。

ADC AD7091R内置基准