[参考译文] OPA2188：OPA2188：RTD 线性化

尊敬的 Serhii：

您能否提供上述电路的完整示意图？  

放大器和 RTD 探针之间的连接持续多长时间？ ADC 和运算放大器电路之间的放大器输出端是否有 RC 滤波器？  ADC 是 Atmega32A 吗？ 此 ADC 的采样率、采集时间和采样保持电容器是多少？ 这是10位 SAR ADC 吗？  

50Hz 和60Hz 电力线噪声往往主导 RTD 测量的说法是正确的。  为 RTD 测量进行优化的最精密、高分辨率、24位 Δ-Σ 转换器可提供用于消除噪声的数字滤波器。   ADS1262、ADS1248和 ADS1261是 Δ-Σ ADC 包含在这些50-60Hz 线路噪声频率下具有陷波的数字滤波器的示例、以大幅衰减该噪声。  另一种消除线路噪声的技术是在整个线路周期中进行采样、并对整个线路周期中的多个样本求平均值。  例如、一个16位精度 SAR ADC 可设置为以3kSPS 的速率采样、并 在16.6ms 的周期内平均50个样本以帮助降低60Hz 噪声、或者类似地、在3kSPS 的周期内采样并在20ms 的周期内平均60个样本以降低50Hz 的电力线噪声。  请记住、ADC 直流精度和分辨率、以及 ADC 电压基准的噪声和精度会直接影响整个系统的噪声和精度。

OPAx188是一款零漂移(斩波)放大器、当反相和同相端子输入阻抗不匹配时、可能会产生相对细微的误差。  使用斩波放大器时、我倾向于尝试匹配反相和同相端子上的等效输入阻抗。  然而、我怀疑您描述的大误差指向了与噪声、稳定性、或者 ADC 驱动相关的其它问题。   我们可以提供与 OPA2188电路相关的建议、但可能无法回答特定于  Atmega32A 的问题。

提供完整的原理图和布局信息会有所帮助。   

谢谢。此致、

路易斯

下午好。
问题答案：
我展示了我的器件的两种方案。 其中一个方案中,所有流程都由 Atmega 32A 进行处理,包括 ADC (10位,但我只使用高8位, 0.5-1摄氏度的精度就足够了),在第二个方案中,我特别为 Attiny 261A ADC 使用了一个单独的芯片。 您可以将此芯片置于睡眠状态以获得更准确的 ADC 读数、并实现模拟 ADC 输入(寄存器 DIDR)。 第二个电路(更复杂)的 ADC 采样率为62500Hz (Atmel 要求50-200kHz 范围内的8MHz/128)。 经过处理的数据会通过 SPI 从261A 传输到32A、并依次显示。 正如我已经说过的、在 ADC 输入端根据连续测量4个读数的算法进行数据处理、如果这些读数在高8位中匹配、则会记录数据。 如果不匹配、则在一行中测量4个值的过程再次进行、依此类推。 直到它们匹配。 或者达到限值。 我在程序级别尝试了很多东西,包括平均-我采集了1024个匹配样本(如我所说,在4个维度),把它相加,然后除以1024。 但仍然每秒钟或两次读数都不稳定。 我花了很多个月在这个和其他事情上,甚至几年,但唉! 所以,我写信给你们。
现在、从电路板到传感器的导线长度为1.2m。其中一根的导线的电阻也分别为0.6m (2线电路)。 屏蔽产生了显著的效果、但效果非常不够。
这里没有 RC 链滤波器、我只是想了解一下、但我不知道如何安排它以便消除50 Hz 和谐波(至少100、200、400 Hz)。 请告知我如何设置它。
关于采样的建议、我知道您需要尝试在从50Hz 正弦波开始到其结束的整个范围内进行测量、然后对读数求平均值？
我可能不会以某种方式将屏蔽线与传感器相连？
期待您的回答！ 非常感谢您的答复！！！e2e.ti.com/.../Schematic_5F00_KE_2D00_Atm32_2D00_Att261_5F00_2023_2D00_02_2D00_22.pdfe2e.ti.com/.../Schematic_5F00_SO_2D00_Pl1_5F00_2023_2D00_02_2D00_22.pdf

尊敬的 Serhii：

我对 OPA2188电路部分有几条建议：

运算放大器输出摆幅和双极电源达到0V：

我假设当 RTD = 1000Ω Ω(0°C)时、OPAx188电路输出需要达到0V。 但是、在原理图中、器件由单极电源供电、(V-)连接到 GND。

由于在单个供电电路中、任何运算放大器都无法一直达到0V、因此您需要一个较小的负电源电压。 OPAx188放大器输出需要负电源轨的余量超过~270mV。 最保守的开环(AOL)技术规格指定距离电源轨500mV 的输出摆幅。  如果您需要此运算放大器达到~0V、则需要为 OPAx188电源使用-500mV 的小负电源。

另一个选择是选择 OPA2392 (最大电源放大器5.5V)、并使用 LM7705 (-0.232V)负偏置发生器来生成负电源。 保守的 OPA2392 AOL 输出摆幅需要一个较小的~100mV 电源电压；而 LM7705发生器就足够了。

OPAx392电路的一种可能电路如下：  

注：  我从您的原理图中复制了电阻器值。 我假设您使用 SLYT442应用手册 Excel 计算器来获取电阻值。  如果您告诉我输出电压目标、PT-1000温度范围和运算放大器(V+)电源电压、我可以验证电阻器组件。

电路输入和反馈处的 RC 滤波器：

放大器电路的输入端或信号路径中没有可限制噪声的滤波器。  我怀疑电路可能容易产生 EMI 干扰/噪声。  建议在 RTD 连接器上并联一个100nF 电容器来滤除高频输入噪声。  您还可以应用匹配的反馈电容器、如上所示。 另外、考虑在 RTD 连接器上添加一个 TVS 或齐纳二极管来提供保护。

电源旁路/基准旁路电容器：

请在运算放大器正电源(V+)和负电源(V-)上使用本地100nF 旁路电容器。  旁路电容器需要靠近运算放大器电源引脚放置。  同样、您可以考虑将旁路电容器与 LM4040基准并联。

ADC 输入端的 RC 低通/电荷反冲滤波器：

Ω ADC 来自其他制造商、我没有关于 ADC 的详细信息；但是、您可以考虑在 ADC 输入端放置一个 RC 低通滤波器、例如100 μ F 和100pF 电容器、以帮助滤除任何高频外部噪声。

一般 PCB 布局和接地建议：

以下是关键/一般 PCB 布局建议、仅供参考：

• 在消除噪声/EMI 导致的误差时、PCB 布局上的接地方案起着至关重要的作用。 如今、我们最常见的建议是在器件下方使用单个实心接地层、但对电路板进行模拟和数字分区非常重要。  
• 通常、我们建议使用单一接地层、同时对电路板进行分区、或基本上将电路的数字和模拟部分放置在 PCB 上的不同区域、从而使敏感模拟远离噪声源和数字信号。  尽管 PCB 电路板布局使用单个 GND 平面、但关键是在电路板布局的不同部分保留电流返回路径。  返回电流趋向于正好在信号布线的下方流动、关键是要使这些信号路径分开。
• 将电路板划分为两个区域、使敏感的模拟输入信号远离数字信号。  基准去耦组件和模拟输入远离开关数字信号。 这种安排可防止数字开关活动产生的噪声耦合到敏感的模拟信号中。
• 器件的电源和基准引脚必须干净并具有良好的旁路功能。 在模拟电源引脚和数字电源引脚附近使用陶瓷旁路电容器。 如果可能、将所有旁路电容器放置在器件的同一顶层。  避免在模拟和数字电源引脚以及旁路电容器之间放置过孔。 使用短且低阻抗的路径和独立过孔将所有接地引脚连接到接地层。  还使用独立过孔将每个旁路电容器连接到 GND。
• ADC 输入 RC 电荷反冲滤波器紧邻 ADC 输入引脚放置、理想情况下与输入器件引脚位于同一层。

关于50Hz 电力线噪声、一种常见的建议是在20ms 电力线周期内对样本求平均值(如前文所述)；或使用具有以50Hz (或60Hz)提供衰减陷波的数字滤波器的 ADC。

谢谢。此致、

路易斯

路易斯下午好。
非常感谢您的回答以及有关 PCB 布局的现代科学讲座。 我从未使用过实心铜层、现在我将尝试一下。 也许您有一个类似的示例可以查看示例？ 但基本而言、我得到了它。 我试图遵守您所描述的许多规则、但由于我不能看到所有规则、我将重建到正确的布线。 在我的样本中、我使用了两个接地 GND 和 AGND、它们在一个转换点进行连接。 现在我知道实心接地层会分别排除模拟接地和数字接地吗？
我还想说我的器件在0摄氏度的温度下无法工作。 我关心的是室温高达127摄氏度、180度或260度。 因此我认为我不应该使用负电压源了？
非常感谢您提供关于在20ms 内平均读数的建议、我这次没想到。 我一定会这么做的。 至于电路元件的检查、我认为一切都是正确的、因为当水沸腾时、显示100摄氏度(+-我的干扰)。 我将一步一步地实施你的建议,所有这一切后,我肯定会写这里,如果你不关闭这个主题。
我还忘了问为什么选择 TVS 二极管？ 在这种情况下,他的工作机制是什么。 我还想问您、或许您知道为什么将设计为2.5伏输出的 LM 4040A 在我的几乎所有样本中显示2.470、尽管我尝试了不同的​​电阻值来限制电流。 我有一个好电压表。 我从来没有理解过。 0.1%的准确度不应允许出现这种偏差。 结果是1.2%！！！ 有点丢脸

尊敬的 Serhii：

由于我们将讨论噪声、我已经给出了一些一般信息/布局方面的建议并提及了接地注意事项。 PCB 布局的方法多种多样、而且具有分离 GND 层的设计也可以适用。 考虑到 EMI、目前人们倾向于建议使用单个接地层、 因为在许多应用中、 混合模拟数字板需要通过密集 CE 测试。 在某些情况下、当在两个分离的接地平面之间使用窄连接时、可能很难使电路板通过 CE 测试。 也就是说、有些应用可能也有充分的理由支持分离 GND 电平方法、这种方法也可能起作用。   不过、PCB 布局的决定取决于应用要求；设计人员会更喜欢这种情况。   使用单接地层方法时、您仍可以将电路板分成模拟和数字部分。  下面的帖子讨论了此主题：

https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/755516/faq-pcb-layout-guidelines-and-grounding-recommendations-for-high-resolution-adcs

以下 TI 高精度实验室部分提供了有关 EMI/PCB 布局的教程/演示、您可能对混合信号设计感兴趣：

https://training.ti.com/ti-precision-labs-introduction-pcb-design-for-good-emc

https://training.ti.com/zh-tw/pcb-layout-0

您是对的。 如果您的设计不需要读取低温温度、或者运算放大器输出不需要达到~0V、则无需担心负电源。  OPA2188是一款零漂移斩波放大器。  斩波放大器可能对反相和同相输入的大阻抗不匹配很敏感、但我应该强调这些误差往往很小。 该设计中的等效阻抗并不远不匹配、但在上述输入/反馈处添加电容器将有所帮助。 如果您的运算放大器电源低于5.5V、则 OPA2392是一种线性(非斩波器)、也可以为您提供良好的服务、它还提供相对较低的温漂；当使用 A10位级分辨率 ADC 时、运算放大器的失调误差/漂移不是主要的误差。

在应用中、如果运算放大器的同相运算放大器输入端子暴露在外、或者可以通过 RTD 连接器访问到外部环境中、则放大器可能会暴露于 ESD 事件中。 TVS 二极管是在任何过压/过流条件或 ESD 事件中快速尝试保护器件的一次尝试。 一种更好的方法可能是使用肖特基二极管、确保输入不会超过 AVDD 电源电压数百毫伏。   在本例中、BAS40是一个小信号肖特基二极管、其正向电压在1mA 时接近~380mV。 相比之下、运算放大器内部 ESD 结构在相同的正向电流下具有~550mV 的正向电压。 因此、肖特基二极管在放大器的内部 ESD 二极管之前导通、并且大多数浪涌电流会流过外部钳位。 内部 ESD 结构只能承受10mA 的电流、而外部肖特基二极管可以处理高达200mA 的正向连续电流、从而提供可靠的保护级别。 电源上的 TVS 二极管可用于灌入电流。

在您的设计中、您可以使用肖特基二极管和 TVS 电源保护的组合、如下所示；但这仅适用于放大器输入在应用中会受到 ESD 或过压影响的情况。

以下资源中提供了有关如何选择 TVS 和肖特基二极管的更多信息。

https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-electrical-overstress-introduction

不确定问题与 LM4040A25基准问题有关。  它的额定电流为~100uA、25°C 时的额定电流容差为±2.5mV、-40°C 至85°C 时的额定电压为±19mV。  改变电流、只要处于指定的电流范围内、这个电压就不应变为2.47V。  您是否测量并联基准引脚上的电压？ 还是以其他 GND 点为基准？ 您能否放置示波器探头来检查是否存在任何不必要的交流信号/振荡？  

谢谢。此致、

路易斯

尊敬的 Serhii：

我没有收到您的来信；但是、如果您有进一步的问题、请随时发帖。

谢谢、此致、

路易斯

您好、Louis。 我现在想提出新问题。 我已经在方案和印刷电路板上分别做了很多转换。 这确实带来了非常好的积极效果。 你只是一个向导。 我还没有设置 TVS 二极管(我来找我的时候正在等待)、那么我也会通知您。 然后我在20ms 内重写程序以获得64个 ADC 样本作为证。 这也有很多帮助。 遗憾的是、我不能长时间重新制作印刷电路板、这样才能实现连续接地。 如果我理解对您的理解正确、在印刷电路板的两侧进行接地是否更好？ 现在，正如我所说，在1摄氏度内的迹象实际上不会改变，而是视乎一天的时间而定。 例如、深夜干扰较小。 晚上有更多的干扰。 一般而言、我将很快在本主题中书写。 我希望一切都能顺利进行、如果不能、您会建议我一些具有干扰过滤功能的专业 ADC、以便获得可接受的资金？))

我很抱歉写错你的名字路易斯!

尊敬的 Serhii：

我很高兴听到测量正在改进！ 很乐意提供帮助。

关于 以50Hz 或60Hz 频率提供衰减的 Δ-Σ ADC、ADS1113 / ADS1114 / ADS1115是16位 I2C 接口器件、可提供约-45dB ~@ 50Hz 的衰减。 另一种可能是16位 ADS1118 SPI 接口。  还有其他分辨率更高的器件可提供更好的滤波衰减。

不过、如果您主要对提供该数字滤波功能的12位分辨率/更低成本选项感兴趣、最好在数据转换器论坛的 E2E 上提交查询； 并询问 ADC 应用团队专家、因为他们对 ADC 产品系列有深入的了解。   

E2E 数据转换器论坛：

https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum

谢谢、此致、

路易斯

您好、Luis。
也许我急忙说晚上读数不会改变。 那天晚上、我让器件处于开启状态、并意识到该电路板属于自己的生活。 读数完全不稳定、有时温度会偏离她想要的1-2摄氏度。 所以原因不是很清楚,毕竟是可能的,正如你说的,错误的非连续接地是责任。 只是为了理解这一点,你将不得不花费大量的时间和金钱来重建它并重新组装它。 但是、在哪里可以保证不会再次发生温度不稳定的情况呢？ 您最好直接转到 Δ-Σ ADC 部分？ 你怎么看？

尊敬的 Serhii：

真是个好消息。 我很高兴 OPA2188和 SAR ADC 的噪声测量问题得到改进或得到解决。 感谢您的更新并通知我们。  

关于三端双向可控硅开关元件的保护问题、这超出了我的专业知识范围。  传感器和/或电流检测应用团队可以提供建议。  由于这是一个新的主题、请启动新主题、在 传感器论坛中提供相关的原理图和/或方框图详细信息、电流检测应用团队可以提供建议或为您指明正确的方向。

非常感谢。

此致、

路易斯

谢谢 Luis