Nuovi convertitori sigma-delta di Maxim
I convertitori sigma-delta di ultima generazione, grazie all’alta integrazione, permettono di gestire segnali di ampiezza ridotta utilizzando un numero minimo di componenti esterni. Il MAX1402, un dispositivo di recente introduzione, integra tante funzioni da poter essere definito un system-on-a-chip. È caratterizzato da una bassa corrente di funzionamento di 250µA (2mA in power-down) e un’accuratezza di 16-bit a 480sps e 12-bit a 4800sps. I circuiti per l’elaborazione del segnale comprendono un multiplexer configurabile (che può gestire 3 segnali completamente differenziali o 5 segnali pseudo differenziali), due amplificatori chopper, un PGA programmabile ( con guadagno da 1 a 128), un DAC a bassa risoluzione per rimuovere l’offset di sistema e un modulatore sigma-delta del secondo ordine. Il flusso dati a 1-bit viene filtrato utilizzando un filtro digitale integrato configurabile come SINC1 o SINC3. Il risultato della conversione è disponibile utilizzando l’interfaccia a 3-fili compatibile SPI™/QSPI™. Sono inoltre integrati due canali d’ingresso completamente differenziali per la calibrazione di sistema dell’offset e del guadagno, due generatori di corrente adattati da 200mA per l’eccitazione dei trasduttori(adatti per applicazioni RTD a 3-fili e 4-fili) e due generatori di corrente di test per verificare l’integrità del trasduttore selezionato. Il modo di funzionamento del dispositivo viene programmato utilizzando l’interfaccia seriale, che permette l’accesso agli otto registri interni. Il bit di controllo SCAN permette di selezionare il modo di lettura dei canali d’ingresso: a comando o continuamente. In questa modalità il canale d’ingresso viene identificato da un etichetta a 3-bit allegata al risultato della conversione. La figura 13 permette di stabilire il range di tensione d’ingresso corretto, che è definito dal bit U/, dalla tensione di riferimento, dal guadagno impostato sul PGA e dal codice impostato sul DAC. Un codice uguale a “0000” su quest’ultimo non introduce alcuna correzione di offset. Se ad esempio si utilizza una tensione di riferimento di 2.5V, si può ottenere un range d’ingresso compreso tra 0V e +5V, configurando il DAC a “1110,” il PGA a “000,” e il bit U/ a “0.” I due canali di calibrazione (CALOFF e CALGAIN) possono essere utilizzati per correggere la misura. Per utilizzare questa modalità, gli ingressi CALOFF vengono collegati a massa mentre gli ingressi CALGAIN vengono collegati alla tensione di riferimento. Sulle misure eseguite su questi canali viene fatta una media utilizzando la seguente formula d’interpolazione: Tensione = [Vref x (Code-CALOFF code)]/[(CALGAIN code-CALOFF code)x PGA gain].
Applicazioni degli ADC sigma-delta.
Misura delle termocoppie con compensazione del giunto freddo
Per eliminare il rumore che si accoppia sui terminali della termocoppia, in questa applicazione il MAX1402 viene utilizzato nel modo “buffered”, che permette l’utilizzo di condensatori di filtro di valore elevato sul front end. A causa del range di modo comune ridotto disponibile in questo modo di funzionamento, è necessario polarizzare l’ingresso AIN2 con la tensione di riferimento (2.5V). La misura del segnale proveniente da una termocoppia presenta il problema del potenziale termoelettrico generato dal collegamento della sonda della termocoppia allo strumento di misura. Questo potenziale introduce un errore, dipendente dalla temperatura, che deve essere sottratto dalla temperatura misurata. La tensione misurata dallo strumento può essere espressa come a(T1-Tref), dove a è la costante di Seebeck per la termocoppia, T1 è la temperatura che si sta misurando, e Tref è la temperatura del blocco di giunzione. Per compensare il coefficiente di Seebeck si può sommare (all’uscita della termocoppia) una porzione della tensione sviluppata da un diodo, che è dipendente dalla temperatura, oppure si può acquisire la temperatura del blocco di giunzione e calcolare la compensazione via software. In questo caso la temperatura della giunzione P-N viene misurata dall’ingresso differenziale AIN3-AIN4, polarizzato dal generatore di corrente interno da 200mA.
RTD nella configurazione a 3-fili e 4-fili
Nei sistemi di controllo di processo vengono utilizzati frequentemente i rilevatori di temperatura basati sulla resistenza di platino per via dell’eccellente accuratezza. Questo tipo di dispositivo fornisce un valore di resistenza di 100W a 0°C e 200W a +266°C. Dato che, la sensibilità di un RTD è molto bassa (DR/DT=100W/266°C), l’applicazione di una corrente d’eccitazione di 200mA si traduce in una tensione di 20mV a 0°C e 40mV a +266°C. Questi livelli di segnale possono essere gestiti direttamente dall’ingresso analogico del MAX1402. Dato che, l’accuratezza della misura può essere influenzata dalla resistenza del filo, è possibile utilizzare la tradizionale configurazione a 2-fili solo quando il dispositivo RTD è posizionato vicino al convertitore, in caso contrario è opportuno utilizzare le configurazioni a 3-fili e 4-fili. I due generatori di corrette adattati da 200mA, interni al MAX1402, permettono la compensazione degli errori in queste configurazioni. Nel caso della configurazione a 3-fili, la corrente che fluisce su RL1 e RL2, fà in modo che la tensione differenziale applicata ad AIN1-AIN2 non sia influenzata dalla resistenza dei terminali, nell’ipotesi che questi ultimi siano dello stesso materiale, abbiano la stessa lunghezza (RL1 = RL2) e che i generatori di temperatura abbiano un basso coefficiente di temperatura (tempco),nel caso del MAX1402 il tempco è di 5ppm/°C.