RTD и AD7718 - входные токи по REF Опции

[maharaj]

Делаю измерение температуры на платиновых RTD и АЦП AD7718. Два канала. Задействуются две пары входов (два дифф. входа) и еще пара REF2. Остальные входы АЦП и REF1 заняты для других измерений.

Собирался делать схем на основе типовой ратиометрической (например, как тут - двухканальная схема). Но обнаружился один нюанс и возникли сомнения. Подробнее опишу ситуацию и расчеты, потом задам вопрос.

Требуется довольно приличная точность измерений - 0.1 С. Так что выбраны датчики с бОльшим сопротивлением (1К), чтобы снизить влияние самонагрева. Рабочий ток 100-150 мкА.

Но у AD7718 довольно большой ток по входам REF (как и у других родственных АЦП AD77xx, для которых этот параметр вообще указан) - 0.5 мкА/В. На этом входе должно быть не менее 1 В, с запасом и для удобной шкалы - 2 В. Так что ток получается порядка 1 мкА - это лишь в 100 раз меньше тока через RTD.

Вопрос, как это может влиять на точность измерений. Температурный дрейф там очень мал (0.01 нА/В/С), но в целом про этот вход написано, что потребляемый ток меняется ("input impedance of each reference input is dynamic", стр. 33 дэйташита). Изменение этого тока на 1/10, то есть на 0.1 мкА, даст ошибку в измерениях в 0.25 С.

Если же этот ток не меняется (или меняется менее, чем на 1%), его влияние учтется при калибровке и не будет заметно.

Но! Я хочу использовать схему для двух каналов - два RTD последовательно. Но реально может быть подключен только один датчик. Тогда второй вход достаточно замкнуть. Рабочий ток несколько изменится, но ратиометрические измерения не чувствительны к этому. Если только нет добавочного тока, а он как есть - этот самый входной ток референсного входа!

При замыкании одного входа ток изменится 2-3%. Калибровка разбалансируется на такую же величину и получится ошибка, которая может превышать 0.1 С. То есть калибровка будет зависеть от того, включен один датичик или два (и вообще - датчики начинают влиять друг на друга). Калибровать на оба варианта - нереально.

Вторая проблема: напряжение на вход REF приходит с довольно большого сопротивления (10-15К). В дэйташите (та же стр. 33) говорится, что в таких случаях _не рекомендуется_ подключение конденсаторов между входами REF. Но датчики у нас выносные, провода до 3-5 м, среда не самая плохая в смысле электромагнитных помех, но все же - кабелей и приборов вокруг множество. Совсем без фильтрации по входу - боюсь могут быть проблемы с наводками...

И вообще - не вполне ясно, как влияет такое сопротивление по входу REF на работу АЦП и точность измерений.


Так вот вопрос - что с этим делать:
1) Замыкать вход второго датчика не накоротко, а аналогичным сопротивлением (1К), или же как-то иначе обеспечить малое изменение тока. (Но проблема помех остается.)

2) Поставить перед входом REF добавочный буферный повторитель с низким выходным сопротивлением (а перед ним можно уже сделать фильтрацию). Референсный резистор в указанноый выше схеме поставить в другое место - вниз, под датчики, на землю - тогда нужен только один повторитель перед REF(+), а REF(-) и нижний конец резистора сидят на земле.

3) Отказаться от готовой ратиометрии и измерять отдельно два напряжения - на датчике и потом на референсном резисторе - входы AIN очень высокоомные, токи не более 1 нА, описанных выше проблем не будет. Но нужно будет обеспечить малошумность тока, чтобы он не менялся между последовательными измерениями (вроде не сложно).
В этом варианте придется делить числа программно, в микроконтроллере.

4) Забить и сделать по-простому, авось проканает. Этот вариант мне почему-то нравится менее всего.

[sensor_ua]

Вы сами себя ограничиваете странными решениями. Во-первых, выбор АЦП, на который есть DS с ревизией аж 0 от 2001 года. Почему вдруг такой динозавр? Почему не по-проще, ну или, если хочется лишнего входа Ref, то AD7794? да и ещё в таком узком диапазоне измеряемых температур... Во-вторых, некая "удобная шкала" - мягко говоря наносное, как и странный резистор 10-15 кОм где-то перед REF. В-третьих, выбор именно 1 кОм RTD - априори принятая уверенность, что полученный результат будет лучше, - на основании чего? а почему не 500 Ом? а почему вдруг на 100 Ом такой точности не получить? В-четвертых, неясно, какой диапазон рабочих температур АЦП и опорного резистора, и какая дополнительная погрешность по этой температуре ожидается. В-пятых - о сенсоре не было слова - точность от сенсора и опоры, а от всего остального погрешности
0.1 градуса при диапазоне измерений от -40 до +60 град. Цел. (что уж говорить о 0..50) достаточно уверенно получается и на 16-бит АЦП при RTD 100 Ом. Но при определенном умении можно на 24-бит АЦП 0.15 градуса с трудом получать (пару раз отлечивал разные грабли).

[maharaj]

Вы сами себя ограничиваете странными решениями. Во-первых, выбор АЦП, на который есть DS с ревизией аж 0 от 2001 года. Почему вдруг такой динозавр? Почему не по-проще, ну или, если хочется лишнего входа Ref, то AD7794?

Не, не ограничиваю. Это текущий рассматриваемый вариант. С удовольствтем рассмотрю Ваши предложения.

Про "динозавра": далеко не всегда новее значит лучше. У 7794 по сравнению с 7718 есть как преимущества, так и недостатки. О них ниже.

Все АЦП 77-й серии сделаны на основе одного и того же ядра. Отличаются конфигурацией, да немного параметрами. У всех одни и те же характеристики с точки зрения того вопроса, то я задавал вначале - то есть токи по рефенсному входу. Так что не важно, будет это 7718 или 7794 - вопрос остается.

Почему 7718, а не 7794: Да, 7794 в некоторых отношениях лучше. Больше реальная точность (хотя в данном случае это не имеет значения, и так достаточно), есть выходы возбуждающего тока (однако они занимают те же ножки, что и пара входов; эту цепь можно сделать и внешней), больше диапазон допустимых уровней реф (работает при меньших реф, чем 7718) и, наконец, пожалуй самый важный, с моей точки зрения плюс - правильно сделаны отслеживание и индикация отсутствия реф - это на случай повреждений проводов или просто неподключенных датчиков.

И входов у 7794 тоже вроде как много, но тут нюанс: у 7718 можно любые входы использовать как балансные или как несимметричные (single ended). Именно последнее мне также нужно - один реф и 2 балансных входа я предполагал занять под RTD, а еще один реф и 4 остальных входа - в виде single ended, причем относительно земли. Мне нужны именно такие 4 выхода. А 7794 не позволяет измерять сигналы относительно земли. Любой InX- должен быть не ниже 100 мВ. Так что либо 7718, либо два АЦП.

странный резистор 10-15 кОм где-то перед REF. В-третьих, выбор именно 1 кОм RTD - априори принятая уверенность, что полученный результат будет лучше, - на основании чего? а почему не 500 Ом? а почему вдруг на 100 Ом такой точности не получить?

"Странный резистор" - опорный, на нем падает ток для получения реф сигнала. Напряжение на реф должно быть не ниже 1 В. Ток порядка 0.1 мА. Вот и выходит не 1К, как в схемах с 100-Омными датчиками, а 10К.

Сопротивление RTD выбрано высоким только из соображения минимизации самонагрева. Те датчики, что хотим использовать бывают 100 или 1000 Ом. На 100-Омном самонагрев может давать ошибку порядка 5 тысячных - это половина макс. допустимой ошибки.

В-четвертых, неясно, какой диапазон рабочих температур АЦП и опорного резистора, и какая дополнительная погрешность по этой температуре ожидается.

Прибор будет работать при комнатной температуре, более того - в термостатированном помещении (температура воздуха +/-0.5 градуса, также поддерживается стабильная низкая влажность). Поэтому тут на опорный резистор и АЦП могут влиять: опять же самонагрев, нагрев от усилителей мощности и тд. Внешний нагрев постараемся исключить - конструктивно уберем мощную часть подальше. Самонагрев АЦП - не более 1-2 С. Не влияет. Самонагрев резистора - порядка 0.5 С, при его ТКС 5ppm это дает ошибку менее тысячной градуса - пренебрегаем.

В-пятых - о сенсоре не было слова - точность от сенсора и опоры, а от всего остального погрешности

Ссылка на сенсор выше. Погрешности - ну да, если бы тут писали официальный метрологический документ, то нужно было бы внимательнее использовать слова. А так можно по-проще.

0.1 градуса при диапазоне измерений от -40 до +60 град. Цел. (что уж говорить о 0..50) достаточно уверенно получается и на 16-бит АЦП при RTD 100 Ом. Но при определенном умении можно на 24-бит АЦП 0.15 градуса с трудом получать (пару раз отлечивал разные грабли).

Ну да, если сигнал с RTD надлежащим образом усилить (чтоб он не был на порядок меньше опорного), то хватит и 16 бит. На самом деле реальная точность 7718 для сигналов со шкалой 160/320 мВ и будет 16/17 бит. Так что это по сути и есть 17-битный АЦП, зато в нем уже все усиление внутри, высокоомные буферы, ничего добавлять не надо. Вот только входы реф подкачали малость. Но тоже поправимо.

Калибровка штука системная - она "не принадлежит" сенсору. Да, калибровочная характеристика сенсора задаётся, но это характеристика первичного преобразователя, а это не то же, что калибровка канала измерения. Отдельная же калибровка вторичных преобразователей (их каналов) по некоему эталону - неблагодарная работа.

Конечно. Я и говорю о калибровке всего канала, всего устройства. Но входов два. И сенсоры отключаемые. И кроме того, нужны запасные, так как тоненький щуп с сенсором будут каждый раз вручную вводить в место измерения - наверняка поломают не одну штуку за год. Поэтому нужно откалибровать измеритель с каждым из сенсоров. Калибровать будем не у себя (у нас такого оборудования нет), так что это надо сделать единовременно. Организовать такое мероприятие для каждого сенсора, по мере надобности - нереально. Раз в год сделать (пере)калибровку для нескольких сенсоров - это возможно.

Потом при подключении сенсора (изменении аппаратной конфигурации) программа из ПК будет загружать в контроллер нужный профиль - для указанного номера сенсора. Но если при этом пользователь должен будет еще и не ошибиться входом, это наверняка приведет к тому, что в какой-то момент подключат не в тот вход, и измерения пойдут с ошибкой, например, в 0.2 С. А потом данные разных серий экспериментов окажутся несогласующимися друг с другом... Именно поэтому входы должны быть равнозначны. Что, вроде бы, совершенно несложно сделать.