דרישות ADC עבור מערכות מדידת טמפרטורה עם RTD

ישנם מספר סוגים של חיישני טמפרטורה שניתן להשתמש בהם במערכת טמפרטורה. החיישן צריך להיות תלוי בתחום הטמפרטורה הנמדד ובדיוק הנדרש. יחד עם החיישן, דיוק מערכת הטמפרטורה תלוי בביצועי הממיר מאנלוגי לדיגיטלי(ADC)  אליו מתחבר החיישן. ADC בעל רזולוציה גבוהה דרוש במקרים רבים בהם גודל האות מהחיישן הוא די נמוך. ADCs סיגמה-דלתא (sigma-delta – S-D) מתאימים למערכות אלו בהיותם התקנים בעלי רזולוציה גבוהה. יש להם גם מעגלים נוספים המוטבעים בתוך שבב הדרושים במערכת טמפרטורה כגון זרמי עירוי וחוצצי ייחוס. מאמר זה מתאר גלאי טמפרטורת נגדים RTDs (Resistance Temperature Detectors) בעלי 3 מוליכים ו-4 מוליכים המשמשים בדרך כלל. הוא מתאר את המעגלים הדרושים כדי לחבר את החיישן ל-ADC יחד עם הסבר על דרישות הביצועים הנחוצות מה-ADC.

RTDs

RTDs שימושיים למדידת טמפרטורות בתחום בין -200⁰C ל-+800⁰C בעלות היענות ליניארית בתחום טמפרטורה זה. יסודות אופייניים המשמשים ל-RTDs הם ניקל, נחושת ופלטינה, כאשר ה-RTDs מפלטינה בעלי 100Ω ו-Ω1000 הם הרגילים ביותר. RTD בנוי מ-2, 3 או 4 מוליכים, כאשר השימושיים ביותר הם 3 ו-4 מוליכים. אלה הם חיישנים פאסיביים הדורשים זרם עירוי כדי ליצור מתח מוצא. רמות מתח המוצא של RTDs כאלה משתנות מעשרות מיליוולטים למאות מיליוולטים, תלוי ב-RTD שנבחר.

ממשק ורכיבי בניין (building blocks) של RTD בעל 3 מוליכים

איור 1 מראה מערכת RTD בעלת 3 מוליכים. ה- AD7124-4/AD7124-8 כולל את כל רכיבי הבניין הדרושים עבור המערכת. כדי לייטב במלואה מערכת זו, דרושים שני מקורות זרם תואמים במלואם. שני מקורות זרם אלה משמשים לביטול שגיאות התנגדות המוליכים שנוצרות על-ידי RL1 R_REF וה-RTD. הזרם השני עובר דרך התנגדות המוליך RL2 ומפתח מתח המבטל את מפל המתח על-פני RL1. המתח הנוצר על-פני נגד הייחוס המדויק משמש כמתח ייחוס REFIN1(±) אל ה-ADC.

מאחר שזרם עירוי יחיד משמש לייצור של הן מתח הייחוס והן המתח על-פני ה-RTD, לדיוק מקור הזרם, אי-ההתאמה וסחיפת אי-ההתאמה יש השפעה מזערית על תפקוד מעבר ה-ADC הכולל. ה-AD7124-4/AD7124-8 מציע מבחר של ערכי זרם עירוי המאפשר למשתמש לכוונן את המערכת כך שרוב תחום המבוא של ה-ADC יהיה שימושי, ולכן הביצועים עולים.

מתח המוצא בעל הרמה הנמוכה מה-RTD דורש הגברה כך שרוב תחום המבוא של ה-ADC יהיה תקף. ה-PGA של ה-AD7124-4/AD7124-8 ניתן לתכנות משבח של 1 עד 128, דבר המאפשר ללקוח להמיר ערכי זרם העירוי לעומת שבח וביצועים. סינון דרוש בין החיישן וה-ADC עבור מטרות ביטול מדרוג העקומות (anti-aliasing) ו-EMC. חוצצי ייחוס מאפשרים ערכים בלתי-מוגבלים עבור רכיבי ה-R וה-C של המסנן, ולכן רכיבים אלה אינם משפיעים על דיוק המדידה.

כיול דרוש במערכת גם כדי לבטל שגיאות שבח והיסט. איור 1 מראה את שגיאת הטמפרטורה הנמדדת עבור RTD בעל 3 מוליכים מסוג B לאחר כיול פנימי בסקלה-אפס וסקלה מלאה, כאשר השגיאה הכוללת היא הרבה פחות מ-±1⁰C.

הימצאות נגד הייחוס המדויק בצד הגבוה של ה-RTD פועלת היטב עבור מערכות המשתמשות ב-RTD יחיד. כאשר RTDs רבים דרושים, יש להציב את הנגד המדויק בצד הנמוך, כך שנגד הייחוס מתחלק בין כל חיישני ה-RTD. לצורכי מימוש זה, דרושה התאמת זרם העירוי והיסט התאמה יותר טובות. כדי למזער את השגיאות שנגרמות מאי-התאמות במקורות זרם העירוי, ניתן להשתמש בשתי טכניקות:

1)     למדוד את שני הזרמים היחידים תוך שימוש בתפקוד המרבב הצולבcross) multiplexer) של ה-AD7124-4/AD7124-8, נגד הייחוס המדויק וייחוס ההיסט הפנימי הנמוך של ה-ADC.

2)     לבצע חיתוך של המערכת כאשר הזרמים מופנים לצדדים השונים של ה-RTD והממוצע של שתי התוצאות משמש בחישוב הכולל של הטמפרטורה.

איור 1: מערכת טמפרטורה של RTD בעל 3 מוליכים

ממשק וגושי בנין של RTD 4-מוליכים

 

מדידות RTD 4-מוליכים דורשות מקור זרם עירוי יחיד בלבד. איור 2 מראה מערכת RTD בעלת ארבעה מוליכים. כמו מערכת RTD בעלת 3 מוליכים, מבוא הייחוס המשמש הוא REFIN1(±) וחוצצי הייחוס מסוגלים לאפשר מדרוג עקומות (anti-aliasing) או סינון EMC בלתי-מוגבל. הזרם דרך ה-RTD זורם גם דרך נגד הייחוס המדויק R_REF, המשמש ליצירת מתח הייחוס עבור ה-ADC, כאשר עיצוב זה יוצר מדידת-ייחוס בין מתח הייחוס והמתח הנוצר על-פני ה-RTD.

העיצוב של מדידת-הייחוס מבטיח שלשינוי בערך זרם העירוי אין כל השפעה על הדיוק הכולל של המערכת. איור 2 מראה את שגיאת הטמפרטורה של ה-RTD המדודה עבור RTD בעל 4 מוליכים מסוג B אחרי כיול פנימי של סקלה-אפס וסקלה-מלאה. בדומה לעיצוב של 3 מוליכים, השגיאה הכוללת הנמדדת היא הרבה פחות מ-1⁰C ±.

 

איור 2: מערכת טמפרטורה RTD בעלת 4 מוליכים

דרישות ADC

עבור מערכות טמפרטורה, המדידות הן בעיקר בעלות מהירות נמוכה (עד 100 דגימות בשנייה אופיינית). לכן, דרוש ADC בעל רוחב-פס נמוך. אולם, ל-ADC צריכה להיות רזולוציה גבוהה. ADCs סיגמא-דלתא (sigma-delta – S-D) מתאימים עבור יישומים אלה מאחר שניתן לפתח ADCs בעלי רוחב-פס נמוך, רזולוציה גבוהה, תוך שימוש בארכיטקטורת S-D.

עם ממירי סיגמא-דלתא, המבוא האנלוגי מודגם ברציפות, כאשר תדר הדגימה הוא גבוה משמעותית מאשר הפס בעל העניין. הם משתמשים גם בעיצוב רעש הדוחה את הרעש מחוץ לפס בעל העניין לתוך אזור שאינו משמש על-ידי תהליך ההמרה, ומקטין עוד יותר את הרעש בפס בעל העניין. המסנן הדיגיטלי מנחית כל אות מחוץ לפס בעל העניין.

 למסנן הדיגיטלי יש תמונות בתדר הדגימה ובכפולות של תדר הדגימה. לכן, דרושים מסננים לביטול המדרוג חיצוניים אחדים. אולם, בשל דגימת-היתר, מסנן RC פשוט בעל סדר ראשון מספיק בשביל רוב היישומים. ארכיטקטורת ה-S-D מאפשרת לפתח ADCs 24-ביט בעלי רזולוציה p-p של עד 21.7 bits (21.7 ביטים יציבים או חופשיים מהבהוב).

סינון (דחיית 50 הרץ/60 הרץ)

ביחד עם דחיית הרעש אשר נדונה מקודם, המסנן הדיגיטלי שימושי גם כדי לספק דחיית 50/60 הרץ. הפרעה מופיעה ב-50 או 60 הרץ כאשר המערכות מופעלות מספק הכוח של הרשת. קיימים תדרים מופקים על-ידי הרשת ב-50 הרץ והכפולות שלה באירופה ו-60 הרץ בארה”ב. ה-ADCs בעלי רוחב-הפס הנמוך משתמשים בעיקר במסנני sinc הניתנים לתכנות לקביעת חריצים (notches) ב-50 הרץ ו/או 60 הרץ ביחד עם כפולות של 50 הרץ ו-60 הרץ, ומספקים בכך דחייה ב-50/60 הרץ והכפולות שלהם. קיימת דרישה גוברת לספק דחיית 50/60 הרץ תוך שימוש בשיטות סינון בעלות זמן תצוגה נמוך. במערכת רב-ערוצית, ה-ADC עוקב אחר כל הערוצים התקפים, ויוצר המרה בכל אחד מהם.

כאשר בוחרים ערוץ, דרוש שזמן התצוגה ייצור המרה תקפה. מספר הערוצים המומרים בפרק זמן נתון גדל אם זמן התצוגה מופחת. ה-AD7124-4/AD7124-8 כולל מסננים לאחר המרה או מסנני FIR המספקים דחיית 50/60 הרץ בו-זמנית בזמני תצוגה נמוכים יותר בהשוואה למסנן sinc³ אוsinc⁴. איור 3 מראה אפשרות אחת של מסנן דיגיטלי: למסנן לאחר ההמרה יש זמן תצוגה של 41.53 מילי-שניות ומספק דחייה בו-זמנית של 50/60 הרץ בעלת 62 dB.

איור 3. היענות תדר, מסנן מאוחר, 25 spsa)DC עד 600 הרץ), b 40 הרץ עד 70 הרץ

הספק

הזרם הנצרך במערכת כלשהי תלוי ביישום הסופי. ביישומים תעשייתיים אחדים, כגון ניטור טמפרטורה במפעלים, מערכת הטמפרטורה השלמה הכוללת את החיישן, ה-ADC והמיקרו-בקד כלולה בכרטיס עצמאי המוזן מלולאת 4-20 מילי-אמפר. לכן, לכרטיס העצמאי יש מאזן זרם מרבי של 4 מילי-אמפר. בשימוש בציוד נייד דוגמת מנתחי גז, המשמשים לניתוח הגזים הקיימים במכרות, יש למדוד את הטמפרטורה ביחד עם ניתוח הגז. מערכות אלו מופעלות מסוללה, באשר המטרה היא לרבות את זמן חיי הסוללה.

ביישומים אלה, הספק נמוך הוא חיוני אך עדיין דרושים ביצועים גבוהים. ביישומי בקרת תהליך, ניתן להרשות יתר זרם עבור המערכת. עבור סוג זה של יישומים, הדרישה עשויה להיות לקיים רצף דרך מספר ערוצים גבוה יותר בפרק זמן מסוים, עדיין תוך כדי השגת רמה מסוימת של ביצועים. ה-AD7124-4/AD7124-8 כולל שני סוגי הספק, הניתנים לבחירה על-ידי המשתמש דרך 2 ביטים באחד האוגרים שלו. סוג ההספק שנבחר קובע את תחום קצבי הנתונים ביחד עם הזרם הנצרך על-ידי הגושים האנלוגיים על-השבב. לכן, ניתן להפעיל את הפריט במצב של הספק בינוני או נמוך עבור מערכות המוזנות על-ידי לולאה או סוללה. במערכות בקרת תהליך, ניתן להפעיל את הפריט במצב של הספק מלא, כאשר צריכת זרם גבוהה יותר גורמת לביצועים משופרים יותר.

אבחון

האבחון הופך ליותר חשוב ביישומים תעשייתיים. דרישות אבחון אופייניות הן:

• ספק כוח/ מתח ייחוס/ ניטור מבוא אנלוגי
• גילוי מוליך פתוח
• בדיקות המרה/כיול
• בדיקת תפקוד שרשרת האותות
• ניטור קריאה/כתיבה
• ניטור תוכן אוגר

עבור מערכות המתוכננות עבור יישומי חסין-כשל, אבחון על-השבב חוסך למשתמש בזמן התכנון, רכיבים חיצוניים, מקום על הכרטיס ועלות. פריט דוגמת הAD7124-4/AD7124-8- כולל את האבחון דלעיל. השפעות אופני הכשל וניתוח האבחון (failure mode effects and diagnostic analysis – FMEDA) של יישום טמפרטורה אופייני המשתמש בהתקן זה הראה חלק של כשל האבטחה (safe failure fraction –SFF) גדול מ-90% על-פי ה-IEC61508. שני ADCs מקובלים דרושים בד”כ כדי לספק רמה זו של כיסוי.

סיכום

דרישות ה-ADC והמערכת עבור מערכת מדידת טמפרטורה הן די מחמירות. האותות האנלוגיים המופקים על-ידי חיישנים אלה הם קטנים ויש להגבירם על-די דרגת הגברה בעלת רעש נמוך כדי להבטיח שרעש דרגת ההגברה אינו מציף את האות מהחיישן.לאחר המגבר, דרוש ADC בעל רזולוציה גבוהה כדי שניתן יהיה להמיר את אות הרמה הנמוכה מהחיישן למידע דיגיטלי. ADCs המשתמשים בארכיטקטורת S-D מתאימים ליישומים כאלה מאחר שניתן לפתח ADCs בעלי רזולוציה גבוהה, דיוק גבוה תוך שימוש בארכיטקטורות אלו. ביחד עם ה-ADC ודרגת ההגברה, מערכת טמפרטורה דורשת רכיבים אחרים כגון זרמי עירוי וחוצצי ייחוס.

לבסוף, היישום הסופי מכתיב את תקציב הזרם המוענק למערכת. מערכות ניידות או מוזנות על-ידי לולאה צריכות להשתמש ברכיבים בעלי הספק נמוך ודבר זה, כאשר ההדירות כלולה עבור מערכות חסינות-כשל, מקטין הלאה את הקצבת הזרם לכל רכיב. עבור מערכות כגון מודולי מבוא, קיים רצון על רמה מסוימת של ביצועים בתפוקות גבוהות יותר, דבר המוביל לצפיפות ערוצים מוגברת. שימוש בהתקן בעל אופני הספק מרובים מקל על העומס של המשתמש מאחר ש-ADC יחיד ניתן לתכנון עבור מערכות-סיום מרובה, תוך קיצור זמני התכנון.