Тракт обработки сигнала РТД с сигма-дельта АЦП
Сигма-дельта АЦП могут обеспечить очень высокое разрешение (с очень низким, в вольтах, значением LSB). На первый взгляд, высокое разрешение — не столь важный параметр при работе с РТД-элементом, если сигнал датчика поступает на предварительный усилитель.
На самом деле, всё обстоит как раз наоборот. Уровень выходного напряжения датчика может составлять всего несколько сотен милливольт, но что намного хуже, изменения этого напряжения при изменении температуры могут быть крайне незначительными, порядка субмилливольт или микровольт. При высокой динамической разрешающей способности самого АЦП общее количество компонентов схемы можно уменьшить, исключив каскад усиления аналогового сигнала и упростив схему фильтра, устраняющего эффект наложения спектров (Рис. 3.8).
Для выбранного РТД-элемента с сопротивлением 100 Ом при 0°С и питающем токе 200 мкА номинальное значение диапазона полной шкалы выходного напряжения (при —200...+600°С) составляет 66.2 мВ. Система оцифровки сигна
Рис. 3.8. Сигма-дельта АЦП преобразует слабый сигнал резистивного температурного датчика, включенного по четырёхпроводной схеме, в цифровой код. Для питания датчика используется источник тока 200 мкА самого преобразователя, при этом его значение пропорционально напряжению внутреннего источника опорного напряжения. Простейшие ФНЧ. устраняющие эффект наложения спектров, реализованы с помощью двух цепей Л)С,.
ла, расположенная после датчика, должна обеспечить надёжный цифровой эквивалент температуры с 12-битной точностью (с учётом погрешности, вносимой самим РТД-элементом). Разработчик должен сам решить, нужно ли усиливать и затем фильтровать сигнал РТД-элемента средствами аналоговой схемотехники или предоставить всю работу сигма-дельта-преобразователю.
В таком практически цифровом варианте решения используется пассивный заградительный ФНЧ. Сигнал с него поступает на сигма-дельта АЦП, который далее усиливает и фильтрует сигнал с помощью алгоритмов цифровой обработки. Разработка такого прецизионного устройства становится возможной благодаря исключительным возможностям сигма-дельта-преобразователя в плане цифровой обработки и калибровки сигналов.
В схеме, представленной на Рис. 3.8, сочетается высокая точность работы четырёхпроводной схемы подключения РТД-элемента и возможности сигма-де- льта-преобразователя. По двум проводам РТД проходит ток питания датчика, генерируемый преобразователем, а с двух оставшихся напряжение сигнала термоэлемента поступает на дифференциальные входы сигма-дельта АЦП. Такой метод подключения позволяет получить пропорциональную зависимость между источником опорного напряжения АЦП и напряжением на выходе РТД-элемента.
В данном устройстве я использую микросхему AD7713 компании Analog Devices, которая из-за наличия двух источников опорного тока лучше всего подходит для работы в цепях резистивных датчиков температуры. Кроме того, это устройство даёт на выходе 24-битный код для очень малых уровней напряжений сигналов. Данный сигма-дельта АЦП может выполнять автокалибровку, калибровку системы, причём эти операции можно проводить в фоновом режиме.
Внутренний механизм шумоподавления сигма-дельта-преобразователя улучшает эксплуатационные качества схемы. Частота передачи данных преобразователя равна 10 Гц, чтобы снизить уровень помех на частоте электросети и минимизировать влияние высокочастотных шумов на выходной сигнал. Использование столь низкой частоты передачи данных возможно из-за относительно большой инерционности РТД-элемента по отношению к изменению температуры.
При хорошей разводке печатной платы сигма-дельта АЦП обеспечивает эффективную разрешающую способность 20 бит (rms) или точность 17.27 бит. При такой точности пользователь может выбрать одну из подгрупп из диапазона допустимых значений. Например, если преобразование выполняется с 17-битной точностью, то при необходимости получения 12-битного результата можно выбрать один из 32 возможных диапазонов значений (17 - 12 = 5, 25 = 32). Тот же результат можно получить, исключив, например, каскад усиления в схеме с АЦП последовательного приближения (Рис. 3.2).
Подходит ли сигма-дельта АЦП для этого приложения?
Ответ положительный. Скорость передачи данных для этого типа преобразователя подходит для работы с РТД-элементом и соответствует особенностям протекающего физического процесса. Данный тип преобразователя обеспечивает высокую точность, что позволяет игнорировать «лишние» биты и получить приемлемые результаты при 12 битах на выходе.
Этот пример показывает, насколько хорошо указанный сигма-дельта-преоб- разователь подходит для приложений с резистивными датчиками температуры, хотя в других случаях с другими датчиками может понадобиться какой-нибудь другой сигма-дельта-преобразователь или АЦП ПП.
