A/D-Wandler Temperaturmesssystem mit Thermistoren designen (Teil 2)

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Bei einem Temperaturmesssystem mit Thermistoren kommt es auf die Auswahl der richtigen Bauelemente an. Details haben wir in Teil 1 erläutert. Im zweiten Teil des Artikels gehen wir der Frage nach, wie das Systemdesign und das Gesamtfehlerbudget optimiert werden können.

Bei der Entwicklung und Optimierung von Temperaturmesssystemen mit Thermistoren müssen Sie die Sensoren sorgfältig auswählen und die Schaltung richtig konfigurieren. Wichtig ist zudem eine gute Temperaturmessung, für die die Konfiguration des A/D-Wandlers und die Auswahl der externen Komponenten eine entscheidende Rolle spielt. Das haben wir in Teil 1 des Beitrags Temperaturmesssystem mit Thermistoren oder RTD? erörtert.

Gleichzeitig müssen Sie sicher stellen, dass der A/D-Wandler innerhalb der Spezifikation arbeitet und die mit dem ADC und dem Gesamtsystem verbundenen Fehlerquellen eliminieren.

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So evaluieren Sie das Thermistorsystem

Mit Tools wie dem Thermistor-Configurator and Error Budget Calculator können Sie den Thermistor einfach konfigurieren, einschließlich des Verdrahtungs- und Anschlussplans. Das Thermistorsystem mit einer Erregerspannung lässt sich in einer ratiometrischen Konfiguration entwerfen. Außerdem können Sie den Sensortyp, den zu messenden Temperaturbereich, die Linearisierung und die Auswahl der externen Komponenten vornehmen (Bild 1).

Damit wird sichergestellt, dass sowohl der A/D-Wandler als auch der Thermistor innerhalb ihrer Spezifikationen verwendet werden. Wird eine Option ausgewählt, die nicht unterstützt wird, gibt es einen Hinweis, dass es sich um eine Fehlerbedingung handelt.

Wählen Sie beispielsweise eine Maximaltemperatur aus, die außerhalb des Betriebsbereichs eines bestimmten Thermistormodells liegt, kommt eine Fehlermeldung, wie in Bild 2 dargestellt. Durch Einhalten des empfohlenen Messbereichs wird wiederum sichergestellt, dass die Systemkonfiguration den Betriebsbedingungen des Sensors und der Elektronik entspricht.

Sie können mit dem Tool die verschiedenen Fehlerquellen erkennen und das Design optimieren. Der Konfigurator ist auf den AD7124-4/AD7124-8 zugeschnitten, der auch die Anzahl der Sensoren bestimmt, die an einen einzelnen ADC angeschlossen werden können. Um die Bedeutung dieses Werkzeugs zu verstehen, wollen wir nun die verschiedenen Designüberlegungen für Thermistoren durchgehen.

Systemkonfiguration (Erregung, Verstärkung und externe Komponenten)

Ähnlich wie Widerstandsthermometer (RTD) neigen auch Thermistoren zu Eigenerwärmung durch die beim Stromfluss erzeugte Verlustleistung. Daher muss der Betriebsstrom des Thermistors so niedrig wie möglich gehalten werden, damit dessen Verlustleistung die Messergebnisse nicht verfälscht. Entwickler tendieren zunächst dazu, höhere Werte für die Erregerspannung zu wählen, um höhere Ausgangsspannungen zu erzeugen, damit der Eingangsbereich des A/D-Wandlers voll ausgenutzt werden kann.

Da der Thermistor jedoch einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, nimmt sein Widerstand mit steigender Temperatur ab, so dass ein hoher Stromfluss zu einer höheren Leistungsaufnahme führt, was zur Eigenerwärmung führt.

Auf der positiven Seite benötigt ein Thermistor keine höheren Werte für die Erregung, da seine höhere Empfindlichkeit eine Ausgangsspannung von einigen Millivolt bis zu einigen Volt über den angegebenen Temperaturbereich ermöglicht. Daher ist die Erregerspannung wie beispielsweise der ADC-Referenzspannung ausreichend und ermöglicht eine ratiometrische Konfiguration. Durch die Einstellung der PGA-Verstärkung auf 1 stellt diese Technik zudem sicher, dass der gesamte Ausgangsspannungsbereich des Thermistors bzw. die am Analogeingang des A/D-Wandlers angezeigte Spannung immer innerhalb des Betriebseingangsbereichs des ADC liegt.

Das Tool verwendet die interne 2,5-V-Referenzspannnung des AD7124-4/AD7124-8. Bei einer Verstärkung von 1 wird auch der PGA abgeschaltet, wodurch sich der Gesamtstromverbrauch verringert. Die beiden A/D-Wandler verfügen außerdem über analoge Eingangspuffer, die es ermöglichen, unbegrenzte externe Widerstands- und/oder Kapazitätswerte zu verwenden. Damit lassen sich externe Widerstandssensoren, wie Thermistoren, oder EMV-Filter ohne zusätzliche Fehler anschließen.

Wenn Sie den A/D-Wandler mit 1-Verstärkung und aktivierten analogen Eingangspuffern verwenden, müssen Sie die für den korrekten Betrieb erforderliche Aussteuerungsreserve einhalten.

Auswahl der externen Komponenten

Auch die Auswahl der externen Komponenten können Sie mit dem Tool abstimmen. Dazu gehört auch der zulässige Bereich für den externen Vorwiderstand und den empfohlenen Messwiderstand inklusive Toleranzen und Drift. Das Thermistor-Tool enthält auch eine Liste der häufig verwendeten Thermistortypen und bietet Optionen, mit denen Sie Nennwert und Beta-Wert (β) oder die Steinhart-Hart-Konstanten von beliebigen NTC-Thermistoren eingeben können.

Auf die Genauigkeit des Sensors, die externen Komponenten und deren Beitrag zum Systemfehler sowie auf die Auswirkungen der vom Sensor verwendeten Linearisierungstechnik gehen wir später ein.

Anti-Alias-Filter und Störschutz

Sigma-Delta-ADCs verwenden einen digitalen Filter, wobei der Frequenzgang des digitalen Filters eine Dämpfung von 0 dB bei der Abtastfrequenz sowie bei Vielfachen der Abtastfrequenz bietet. Dies bedeutet, dass die Filterantwort um die Abtastfrequenzen herum gespiegelt ist, so dass ein Antialias-Filter im Analogbereich erforderlich ist.

Da Sigma-Delta-ADCs von Natur aus das analoge Eingangssignal überabtasten, wird das Design des Antialiasing-Filters so vereinfacht, dass ein einfacher (einpoliger) RC-Filter ausreicht. Beispielsweise benötigt der AD7124-4/AD7124-8 nur einen 1 kΩ-Widerstand in Reihe mit jedem Analogeingang, einen 0,1 μF-Kondensator von AINP zu AINM sowie einen 0,01 μF-Kondensator von jedem Analogeingangs-Pin zu AVSS.

In den meisten Industrieanwendungen oder bei der Prozesssteuerung ist zusätzliche Robustheit wichtig. Als Störschutz werden normalerweise große R- und C-Werte am Analogeingang verwendet. Allerdings ist zu beachten, dass bei ungepuffertem Betrieb des Wandlers mit einer Verstärkung von 1 die Eingänge direkt am Abtastkondensator des Modulators wirken, so dass große RC-Werte zu Verstärkungsfehlern führen können, da der A/D-Wandler nicht genügend Zeit hat, sich zwischen den Abtastzeitpunkten einzupendeln. Durch eine Pufferung der Analogeingänge werden diese Fehler vermieden.

Auch Störungen durch das Stromnetz können die Messergebnisse verfälschen. Daher ist die Unterdrückung von 50 Hz/60 Hz eine weitere Anforderung an das System, wenn Geräte über das Stromnetz versorgt werden. Ein weiterer Vorteil eines Sigma-Delta-ADCs mit schmaler Bandbreite wie dem AD7124-4/AD7124-8 besteht darin, dass er flexible digitale Filteroptionen (Kerbfilter) bietet, die Kerben bei 50 Hz und/oder 60 Hz setzen können.

Der ausgewählte Filtertyp beeinflusst zusammen mit der programmierten Ausgangsdatenrate die Einschwingzeit und das Rauschverhalten. Das Gerät bietet zudem verschiedene Leistungsmodi, die es dem Benutzer ermöglichen, den A/D-Wandler auf optimalen Stromverbrauch, Geschwindigkeit oder Leistung einzustellen.

Stromverbrauch und Energiebudget

Der Stromverbrauch bzw. die Aufteilung des Energiebudgets des Systems hängt stark von der Endanwendung ab. Wenn das System höhere Ausgangsdatenraten und ein besseres Rauschverhalten erfordert, kann der Baustein für den Volllast-Betrieb konfiguriert werden. Wenn ein begrenzter Stromverbrauch bei akzeptablen Geschwindigkeiten und angemessener Leistung gefordert ist, können Sie den Baustein Gerät im mittleren Leistungsbereich oder im Energiespar-Modus betreiben.

Neben der Genauigkeit oder Leistung spielt auch das Zeitverhalten eine Rolle. Bei den meisten Anwendungen muss eine bestimmte Zeit eingehalten werden, um alle Messungen durchzuführen. Wenn mehrere Kanäle aktiviert sind, d. h. mehrere Sensoren verwendet werden, müssen Sie die Latenzzeit durch den digitalen Filter berücksichtigen. Bei gemultiplexten ADCs ist bei der Aktivierung mehrerer Kanäle bei jedem Kanalwechsel eine Einschwingzeit erforderlich. Daher führt die Wahl eines Filtertyps mit längerer Einschwingzeit (d. h. sinc4 oder sinc3) zu einer Verringerung der Gesamtdurchsatzrate.

In diesem Fall ist ein nachgeschalteter Filter oder ein FIR-Filter nützlich, um eine vernünftige zeitgleiche 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung bei geringeren Einschwingzeiten zu erreichen und damit die Durchsatzrate zu erhöhen.

Alle Filteroptionen sowie eine Teilmenge der ausgewählten Ausgangsdatenraten können mit Hilfe des Tools Thermistor Configurator and Error Budget Calculator getestet werden. Daraus ergibt sich das zu erwartende Rauschverhalten, das in die Fehlerberechnungen des Systems einfließt, die im nächsten Abschnitt behandelt werden. Eine vollständige Auswahl der Ausgangsdatenrate, des FS-Werts und des Durchsatzes ist mithilfe des Online-Tools Virtual Eval möglich. Es zeigt das Zeitverhalten für die verschiedenen Szenarien, die zur Bewertung des Zeitverhaltens des ADC bei der Messung eines einzelnen oder mehrerer Thermistoren verwendet werden können.

Fehlerbudgetberechnungen: So funktioniert's

Mit dem Thermistor-Konfigurator und dem Fehlerbudgetrechner können Sie die Systemkonfiguration auf optimale Leistung trimmen. Der in Bild 3 dargestellte Fehlerbudgetrechner hilft dem Entwickler, die mit dem ADC verbundenen Fehler und die Fehler der Systemkonfiguration mit und ohne interne oder Systemkalibrierungen zu erkennen. Das Tortendiagramm zum Systemfehler zeigt, welcher Teil des Systems am stärksten zum Gesamtfehler des Systems beiträgt.

Laut Bild 3 trägt der Fehler des A/D-Wandlers nicht wesentlich zum Gesamtfehler des Systems bei. Die externen Komponenten mit ihren Temperaturkoeffizienten oder der Temperaturdrift sind in der Regel die Hauptfehlerquellen, sofern das System über den gesamten Temperaturbereich betrieben wird.

Wenn wir zum Beispiel den Temperaturkoeffizienten des Messwiderstands im Tool von 10 ppm/°C auf 25 ppm/°C ändern, zeigt sich, dass sich der Gesamtfehler des Systems deutlich erhöht. Daher sollten Sie einen Messwiderstand mit hoher Anfangsgenauigkeit und einem geringen Temperaturkoeffizienten auswählen, um Fehler im Zusammenhang mit der Temperaturdrift zu minimieren.

Kalibrierungsmodi im ADC

Die Wandler AD7124-4/AD7124-8 bieten verschiedene Kalibrierungsmodi, die zu einer weiteren Reduzierung von Messfehlern verwendet werden können. Wir empfehlen, beim Einschalten oder bei der Softwareinitialisierung eine interne Kalibrierung durchzuführen, um die Verstärkungs- und Offsetfehler des A/D-Wandlers bei Nenntemperatur zu beseitigen. Beachten Sie dabei, dass das Tool eine Verstärkung von 1 verwendet.

Die Wandler AD7124-4/AD7124-8 sind werkseitig mit einer Verstärkung von 1 kalibriert, und der daraus resultierende Verstärkungskoeffizient ist der Standard-Verstärkungskoeffizient des Bauelements. Daher unterstützen die Bauelemente keine weiteren internen Vollkalibrierungen mit einer Verstärkung von 1. Interne Kalibrierungen bei Nenntemperatur beseitigen nur die Verstärkungs- und Offset-Fehler des AD7124-4/AD7124-8, nicht aber die Verstärkungs- und Offset-Fehler und die Drift, die durch externe Schaltungen verursacht werden.

Externe Fehler können durch eine Systemkalibrierung beseitigt werden. Das Kalibrieren an verschiedenen Temperaturpunkten kann zudem das Driftverhalten verbessern. Dies ist jedoch mit zusätzlichen Kosten und Aufwand verbunden und daher möglicherweise für einige Anwendungen nicht geeignet.

Fehler einfach erkennen

In rauen Umgebungen oder bei Anwendungen, bei denen die Sicherheit im Vordergrund steht, werden Diagnosefunktionen immer wichtiger und sind oft sogar zwingend erforderlich. Selbst bei nicht sicheren Designs sorgen Diagnosefunktionen für mehr Robustheit, da sie sicherstellen, dass alle Blöcke des Designs korrekt funktionieren und der Prozessor nur gültige Daten empfängt und verarbeitet.

Die integrierten Diagnosefunktionen des AD7124-4/AD7124-8 reduzieren den Bedarf an externen Komponenten für die Implementierung von Diagnosefunktionen, was zu kleineren, vereinfachten Lösungen führt. Die Diagnosefunktionen umfassen:

• Überprüfen des Spannungspegels an den Analogpins (sicherer Betriebsbereich)

• Überprüfen der Referenzspannung

• Zyklische Redundanzprüfung (CRC) auf dem SPI-Bus

• CRC-Prüfung des Speicherabbilds

• Überprüfen der Signalkette.

Prototypen erstellen und Leistung festlegen

Nach dem Systementwurf und der Definition der Systemleistung besteht der nächste Schritt darin, einen Prototyp zu erstellen und die Leistung des Entwurfs zu validieren. CN-0545 ist ein Referenzdesign aus „Circuits from the Lab“, das Messdaten für einen Thermistor mit einer Genauigkeit von 0,1 °C liefert. Dazu werden die Evaluierungsboards EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8 und die zugehörige Evaluierungssoftware genutzt. In CN-0545 wird ein 10 kΩ-NTC-Thermistor vom Typ 44031 verwendet, der für einen Messbereich von –50 bis 150 °C mit einer Genauigkeit von ±0,1 °C zwischen 0 °C und 70 °C mit einer Genauigkeit von ±1 °C über den weiteren Temperaturbereich spezifiziert ist.

Bild 4 zeigt die Messergebnisse vom CN-0545. Diese Messdaten wurden mit den Evaluierungsboards AD7124-4/AD7124-8 erfasst, die einen Thermistor-Demomodus enthalten, der den Thermistorwiderstand misst und den entsprechenden Temperaturwert auf Basis der Steinhart-Hart-Konstanten des Sensors berechnet. Das Diagramm zeigt die tatsächlichen Ergebnisse.

Beim Vergleich mit den Ergebnissen des Fehlerbudgetrechners können die tatsächlichen Ergebnisse besser ausfallen als die Berechnungen des Tools. Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass das Tool Maximalwerte für alle Parameter verwendet und somit eine Worst-Case-Analyse der Schaltung liefert. In der Praxis erreichen die Sensordrift, die Anfangsgenauigkeit und die Temperaturdrift der im System verwendeten Elektronikkomponenten nicht immer die angegebenen Höchstwerte.

Derartige validierte Referenzboards helfen nicht nur bei der Schaltungsentwicklung, sondern verkürzen auch den Entwicklungszyklus. Zusammen mit der Hardware unterstützt die Software die verschiedenen Systemoptimierungs- und Kalibrierungstechniken für jeden Thermistor.

Auch wenn die Tools und Hardware-Demoboards den Designprozess vereinfachen, gehen die Systementwickler unterschiedlich mit den Messungen um und setzen unterschiedliche Controller für die Softwareverarbeitung ein. Mit der Firmware-Anwendung AD7124 Temperature Measurement Demo Example lassen sich kundenspezifischen Code generieren. Dabei können Sie ein Controller-Board, eine Software-Plattform, Gerätekonfigurationen sowie ein Messsensor, z. B. ein Thermistor, auswählen. Diese quelloffene Mbed-Plattform unterstützt über 15 Controller-Boards mit oder ohne Modifikationen.

Fazit: In diesem Artikel haben wir gezeigt, dass die Entwicklung eines Temperaturmesssystems mit Thermistoren ein anspruchsvoller, mehrstufiger Prozess ist. Um den Systementwicklern die Arbeit zu erleichtern, können der Thermistor-Konfigurator und der Fehlerbudget-Rechner zusammen mit Virtual Eval, der Hardware und Software des Evaluierungsboards, der Firmware Mbed und dem Referenzdesign CN-0545 verwendet werden, um Konnektivitätsprobleme und das Gesamtfehlerbudget anzugehen.

Die Verwendung von hochintegrierten Sigma-Delta-ADCs mit geringer Bandbreite reduziert den Entwicklungsaufwand weiter, da diese die Komponenten bereitstellen, die für die Erregung, Konditionierung und Messung des Sensors erforderlich sind, und gleichzeitig die Netzstörungen beseitigen.

Diese Integrationsebene zusammen mit der kompletten Systemsicherheit bzw. dem gesamten Ökosystem vereinfacht den gesamten Systementwurf sowie den Kosten- und Entwurfszyklus vom Konzept bis zum Prototyping.  (kr)

Schaltungsdesign

Temperaturmesssystem mit Thermistoren oder RTD?

* Jellenie Rodriguez ist Applikationsingenieurin in der Precision Converter Technology Group bei ADI in Wilmington. Mary McCarthy ist Applikationsingenieurin in der Linear and Precision Technology Applications Group bei ADI in Wilmingtorn.

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