三線電阻式溫度檢測器測量系統中勵磁電流失配的影響之二

2021-01-08 電子產品世界
　　這篇文章將討論兩種可消除勵磁電流失配和失配漂移影響的方法。第一種方法是把內部多路復用器用於大多數集成式解決方案的軟體方法。第二種方法是更改電路拓撲結構的硬體方法。

　　切斷勵磁電流源

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/312057.htm

　　一種用來減少勵磁電流失配所致誤差的技術是讓兩個輸入端之間的電流流動路線交替變化。這通常被稱為「斬波」。把勵磁電流注入到RTD電路，然後對它們進行交換，同時獲取每種設置下的讀數。兩個讀數的平均值將不受兩種勵磁電流之間失配的影響。在大多數集成式解決方案中，可用內置多路復用器讓到兩個輸出端的勵磁電流流動路線交替變化來實現這一目的。圖1展示了如何在該電路中切斷勵磁電流。

　　圖1：切斷勵磁電流

　　當勵磁電流被交換時，系統設計人員必須等待，直到輸入信號穩定，以便進行有效的測量。趨穩時間基於所選擇的模數轉換器（ADC）以及已被安裝啟用的任何外部濾波器。切換多路復用器並等待獲取讀數會給測量系統增加延遲，這在一些應用中可能是不受歡迎的。隨著計時變得越來越複雜，把平均結果轉換成溫度讀數所需的數字處理算法也變得日趨繁瑣。

　　具有高側參考的三線RTD測量系統

　　一種可切斷勵磁電流的更有效替代方法是將參考電阻器放置在RTD傳感器的高側（圖2）。在該配置中，僅有一種勵磁電流既流過參考電阻器也流過RTD。第二種勵磁電流只用於三線RTD引線電阻抵消。因為僅有一種勵磁電流會產生參考電壓和輸入電壓，所以電流源失配和失配漂移將不再影響ADC傳遞函數。任何失配誤差只能影響RTD引線抵消的有效性，這與原來的電路沒有什麼不同。

　　圖2：高側參考電阻器配置

　　高側參考電路配置

　　通過將低側參考電阻器移動到RTD的高側，全新的配置會帶來一些附加的設計挑戰。首先，從RTD到接地必須連接一個附加電阻器RBIAS。跨RBIAS的電壓VBIAS將在ADC的線性輸入共模電壓範圍內改變RTD電壓。實現這一目標的同時必須使電流輸出數模轉換器（IDAC）輸出端的電壓低於其順從電壓（compliance voltage）額定值。

　　方程式（1）詮釋了適用於圖2中電路的輸入共模電壓VCM。

　　適用於可編程增益放大器（PGA）的輸入共模電壓必須保持在產品說明書簡要規定的範圍之內。方程式（2）展示了最小共模電壓VCM MIN的兩個極限值。請使用VCM MIN這兩個值中較大的一個。方程式（3）詮釋了最大共模電壓VCM MAX。

　　在IDAC輸出端的電壓不得超過順從電壓，否則它們將無法正常發揮作用。方程式（4）詮釋了IDAC的順從電壓。

　　在這種電路配置中，最大IDAC輸出電壓在IDAC1處，用VIDAC1 MAX表示。用方程式（5）可計算出VIDAC1處的這種電壓。

　　基於3.3V電源，表1展示了最小和最大共模電壓以及IDAC順從電壓的值。

　　表1：使用+3.3V電源時的共模和IDAC順從電壓極限值




　　在高側參考配置中，IDAC輸出端的電壓會提高，因為添加了RBIAS —— 這會降低可用餘量。為了滿足IDAC電壓順度要求，可能需要通過調節IDAC電流或電阻器值來降低參考或偏置電壓。反過來，不同的IDAC電流可能需要調整PGA增益來保持系統解析度。

　　憑藉所推薦的高側參考解決方案，滿足輸入共模和IDAC順從電壓極限值要求仍然是切實可行的。首先，選擇超過VCM MIN的偏置電壓。這可最大限度地提高餘量，以符合IDAC順從電壓要求。然後，基於最大RTD電壓選擇參考電壓和PGA增益設置，旨在最大限度地提高系統解析度。

　　表2為使用+3.3V電源合理優化的高側參考電路列出了電路值，也列出了該電路中的VCM MIN和VCM MAX電壓以及VIDAC1 MAX電壓。請注意，最大ADC輸入電壓可充分利用大部分的VREF電壓範圍，同時確保不違反表1所列共模和IDAC順從電壓極限值規定。

　　表2：適用於高側參考電路的電路參數

　　高側參考電路總誤差

　　我們分析了由ADC和RREF產生的誤差。雖然方程式和誤差源保持不變，但輸入相關電壓誤差將基於電路中新選擇的IDAC電流和組件值而改變。表3匯總了誤差源，並為25℃下的高側參考電路計算出了總或然誤差。如圖所示，可消除來自IDAC失配的誤差。使用方程式（6）能計算出總誤差。

　　表3：總誤差（TA = 25°C）。

　　總輸入相關電壓誤差可再次被轉換為溫度誤差。

　　消除勵磁電流失配誤差的舉措能使未校準溫度誤差減少67％ —— 而在原來的低側參考配置中計算出的溫度誤差是1.589℃。

　　高側參考電路漂移誤差

　　表4列出了ADS1220在系統工作溫度範圍（TA = -40°C至+85°C）內的溫度漂移誤差。如圖所示，採用高側參考配置也可消除由IDAC失配漂移產生的誤差。

　　表4：系統工作溫度範圍（-40°C至+85°C）內的溫度漂移誤差

　　消除IDAC失配所致誤差的舉措可顯著降低輸入相關漂移誤差（原來是119.6μV，降低後僅有18.2μV）。目前，在-40°C至85°C的溫度範圍內，總漂移誤差只會另產生±0.062°C的溫度誤差；而在低側參考電路中總漂移誤差會另產生±0.306°C的溫度誤差。消除來自勵磁電流失配的誤差可減少對過溫校準的需要或要求。

　　總結

　　在標準比例型三線RTD測量電路中，無論是在室溫下還是在工作溫度範圍內，勵磁電流失配通常都是最大的誤差源。切斷勵磁電流法是一種可在傳統低側參考比例型RTD採集電路中減少勵磁電流失配影響的簡單方法。而將該電路改成高側參考配置的舉方法既能消除勵磁電流失配和電流失配漂移的影響，同時又能實現零測量延遲並讓附加組件數變得最少。只要符合輸入共模電壓和勵磁電流順從電壓極限值規定，高側配置還可用於低電源電壓。

　　這篇文章重點介紹了兩種可減少或消除IDAC失配所致誤差的解決方案。說明了如何將該電路重新配置成高側參考電路，以便只用一個附加組件就能完全消除勵磁電流失配和失配漂移的影響。

　　參考文獻

　　1.下載ADS1200產品說明書。

　　2. 查看TI E2E社區的Precision Hub博客，在那裡您可搜索相關主題，包括這一個。

相關焦點

  • 三線電阻式溫度檢測器測量系統中勵磁電流失配的影響之一
    電阻式溫度檢測器（RTD）在這些精確溫度測量中通常用作傳感元件，因為它們具有寬泛的溫度測量範圍、良好的線性度以及卓越的長期穩定性和可復驗性。RTD是由金屬製成的傳感元件，在工作溫度範圍內具有可預測的電阻。可通過RTD注入電流並測量電壓來計算RTD傳感器的電阻。然後可基於RTD電阻和溫度之間的關係來計算RTD溫度。
  • RTD測量系統中勵磁電流失配的影響
    這篇文章提供了對範例式集成比例型三線RTD測量系統的分析，以便了解誤差的來源，包括勵磁電流失配產生的影響。具有24位Δ-Σ型ADC是整合了好幾種功能，以方便溫度測量應用的設計，ADC現代集成式解決方案的一個例子是ADS1220。在這種集成式解決方案中，用來控制勵磁電流的是電流輸出數模轉換器(DAC)，也被稱為集成式DAC(IDAC)。為使IDAC到電阻式溫度檢測器RTD電路的布線更容易，該解決方案還包括一個多路復用器。最後，用可編程增益放大器(PGA)來提高RTD系統的電壓解析度。
  • 什麼是勵磁電流? 什麼是變壓器勵磁湧流?
    RTD測量系統中勵磁電流失配的影響 這篇文章提供了對範例式集成比例型三線RTD測量系統的分析，以便了解誤差的來源，包括勵磁電流失配產生的影響
  • 基於RTD電阻和溫度之間關係及應用
    電阻式溫度檢測器（RTD）在這些精確溫度測量中通常用作傳感元件，因為它們具有寬泛的溫度測量範圍、良好的線性度以及卓越的長期穩定性和可復驗性。RTD是由金屬製成的傳感元件，在工作溫度範圍內具有可預測的電阻。可通過RTD注入電流並測量電壓來計算RTD傳感器的電阻。然後可基於RTD電阻和溫度之間的關係來計算RTD溫度。 本文由三部分組成，第1部分討論了比例型三線測量系統的原理和優勢。
  • 基於PT1000的高精度溫度測量系統
    其中，減小引線電阻的影響是高精度測量的關鍵點。對於自熱效應，根據元件發熱公式P=I2R，必須使流過元件的電流足夠小才能使其發熱量小，傳感器才能檢測出正確的溫度。但是過小的電流又會使信噪比下降，精度更是難以保證。此外，一些元器件和儀器很難滿足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。
  • 氣相色譜儀檢測器之熱導檢測器
    氣相色譜儀檢測器之熱導檢測器是深圳市億鑫儀器設備有限公司提供。熱導檢測器由於結構簡單、性能穩定，而且線性範圍寬，價格便宜，通用性好，因此是應用最廣，最成熟的一種檢測器。其主要缺點是靈敏度較低。二、熱導池的結構和工作原理 熱導池由池體和熱敏元件構成，可分雙臂和四臂熱導池兩種。由於四臂熱導池熱絲的阻值比雙臂熱導池增加一倍，故靈敏度也提高一倍。目前儀器中都採用四根金屬絲組成的四臂熱導地。
  • PT100溫度傳感器的原理和接線方式
    Pt)作成的電阻式溫度傳感器，屬於正電阻係數,其電阻和溫度變化的關係式如下：R=Ro(1+αT).二、Pt100溫度傳感器的主要技術參數如下1、測量範圍：-200℃～+850℃;允許偏差值△℃：A級±(0.15+0.002│t│)， B級±(0.30+0.005│t│);熱響應時間電流≤5mA。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。
  • 實現大直流電流的精確測量
    雖然有許多儀器可以精確地測量小的直流電流(最大3A)，但很少有儀器可以精確地(好於1%)測量50A以上的直流電流。這麼大的電流範圍是電動汽車(EV)、電網能量存儲和光伏(光電)可再生能源裝置等的負載典型值。另外，這些系統需要精確地預測相關能量存儲電池的電荷狀態(SOC)。
  • 大直流電流精確測量的實現
    儘管如此，用於連續測量電流的霍爾傳感器能耗也不能小至毫瓦級。霍爾效應傳感器：漂移大，可用工作溫度範圍小因為典型的線性傳感器輸出是按比例量測的(不僅取決於被測的磁場強度，而且取決於勵磁電流值)，勵磁電流的穩定性將極大地影響待測電流幅度以及沒有電流流動時的零偏移。
  • 電流/電壓轉換晶片MAX472在電流檢測器中的應用
    很多場合需在被測系統工作時，對其電流進行在線檢測，因此如何無須串入電流表，直接對被測器件進行電流檢測就相當重要。常規測量電流I的方法存在測量範圍小、測量誤差大等缺點。本文介紹的在線電流檢測器採用電流/電壓轉換晶片MAX472，克服了常規方法的缺點，實現了電流的高精度測量。 MAX472的工作原理MAX 472的工作原理如圖１所示。
  • 基於三線制恆流源驅動Pt1000鉑電阻的溫度測量
    三線制恆流源驅動法是指用硬體電路消除鉑電阻傳感器的固定電阻(零度電阻)，直接測量傳感器的電阻變化量。圖l為三線制恆流源驅動法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯連接，用恆流源驅動，電路各元件將產生相應的電壓，傳感器因溫度變化部分電阻的電壓可以由後面的放大電路和A/D轉換器直接測量，並採用2次電壓測量—交換驅動電流方向，在每個電流方向上各測量一次。
  • ​pt100溫度傳感器,傳感器的種類
    它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它 跟著上升就稱為正電阻係數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻係數。大部分電阻式溫度傳感器是 Pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩定－耐酸鹼、不會變質、相當線性,最受工業界採用。
  • 發電廠勵磁系統介紹
    優點：它勵，勵磁電源不受系統電源的影響缺點：調節速度慢，軸系長度長，易引發軸系振蕩交流勵磁機系統（二機它勵）組成：勵磁系統取消副勵磁機，主勵磁機的勵磁電源由發電機出口電壓經勵磁變壓器後獲得（這個勵磁變很小飲料箱大小），通過自動勵磁調節器調節交流勵磁機勵磁電流，交流勵磁機輸出電壓經矽二極體整流後接至發電機轉子 ，亦也稱為兩機一變勵磁系統。
  • 測量儀器基礎知識
    敏感器（sensor）又稱敏感元件，是指「測量系統中直接受帶有被測量的現象、物體或物質作用的測量系統的元件」。敏感元件是直接受被測量作用，能接受被測量信息的一個元件。檢測器是用於指示某個現象的存在而不必提供有關量值的器件或物質。例如，熱電偶是測量傳感器，但它並不是敏感元件，因為只有熱電偶的測量結（熱端）直接處於被測量溫度中，因此測量結才是敏感元件。
  • pt100溫度傳感器原理
    電阻式溫度檢測器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻係數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻係數。大部分電阻式溫度檢測器是以金屬作成的,其中以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩定－耐酸鹼、不會變質、相當線性...
  • 燃氣輪機組勵磁系統設計與應用
    根據燃氣輪機的要求，首先由盤車系統將機組升速至120~150 r/min，退盤車。然後啟動SFC裝置，SFC通過控制勵磁系統來建立轉子磁通，產生的磁鏈在定子繞組中感應出電動勢，通過測量並計算磁通可得出轉子位置，由此選擇需要通流的兩相定子繞組。
  • 電磁幹擾造成勵磁系統保護誤動的分析與處理
    引言本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/200730.htm在整個電力系統中，發電機是電網的心臟，勵磁系統則是發電機的心臟，都是起著輸送血液的作用
  • 一種簡單測量土壤溼度和pH值(帶溫度補償)的方法
    由於傳感器的輸出阻抗高，為了最小化偏置誤差，低運算放大器輸入偏置電流就非常重要。在本電路設計中，使用了ADA4661-2軌到軌運算放大器。pH傳感器提供雙極性輸出，輸出的最大信號為±414 mV。AD7124的內部偏置生成器可用於將其輸入共模電壓設置為AVDD/2，從而在傳感器輸出端產生AVDD/2 ± 414 mV。 組件的噪聲特性對測量系統的解析度也有影響。
  • IGBT開關式自並激微機勵磁系統的原理及應用
    當IGBT導通期間，L1中的電流增加量大於在截止期間電流的減小量時，L1中的平均電流增加，反之L1中的平均電流減小。當增加量等於減小量時，L1中的平均電流不變，達到穩定運行工作狀態。　　2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算　　設三相整流濾波後的直流電壓為UE，IGBT導通時間為TON，截止時間為TOFF。