温度是过程控制系统中的一个关键测量指标，可以直接测量，如化学反应的温度，也可以是压力传感器的温度补偿。准确、可靠、稳定的温度测量对于任何系统设计都非常重要。对于某些终端设计，检测系统故障非常重要。如果系统出现故障，将转换为安全状态。功能安全设计应用于这些环境中，认证水平表明设计的诊断覆盖率。

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01 功能安全是什么？

在功能安全设计中，系统需要检测任何故障。考虑到炼油厂，其中一个储罐正在加油。如果液位传感器出现故障，系统必须检测到故障，以主动关闭储罐阀门，防止储罐溢出，避免潜在的危险爆炸事故。另一种方案是冗余，即两个液位传感器可以用于设计，当其中一个液位传感器出现故障时，系统可以继续使用另一个液位传感器。设计通过认证后，将获得SIL等级。这等级表示设计提供的诊断覆盖率。SIL解决方案越稳定，等级越高。SIL 2级表示可诊断系统中90%以上的故障。系统设计师必须向认证机构提供潜在故障的证据，无论是安全故障还是危险故障，以及如何诊断故障。必须获取FIT对系统中不同部件的数据、故障模式的影响和诊断分析(FMEDA)。

02 温度系统设计

本文重点介绍RTD。然而，温度传感器有许多不同的类型——RTD、热敏电阻和热电偶等。设计中使用的传感器取决于所需的精度和测量的温度范围。每种类型的传感器都有自己的要求：

● 热电偶偏置

● 激励RTD的激励电流

● 热电偶和热敏电阻的绝对基准

因此，除了ADC此外，还需要其他构建模块来激励和调节前端传感器。为了实现功能安全，所有这些模块都必须可靠和稳定。此外，必须检测不同模块的任何故障。传统上，系统设计师使用复制方法，即使用两个信号链，以确保信号链相互检查：

● 传感器已连接

● 没有开路或短路

● 基准电压处于正确电平

● PGA仍在正常运行

为了证明设计的稳定性，需要记录认证过程。这是一个耗时的过程，有时很难从IC制造商那里获得某些信息。

但是， AD7124-4/AD7124-8 集成模拟前端现在包括在内RTD所有建筑模块都需要设计。此外，嵌入式诊断功能使设计师无需为诊断目的复制信号链。除芯片增强外，AD公司还提供包括认证机构所需的所有信息在内的文件记录（FIT引脚FMEDA、裸片FMEDA）。因此，简化了功能安全认证过程。

IEC 61508是功能安全设计的标准。该规范记录了开发SIL认证产品所需的设计流程。从概念、定义、设计、布局到制造、装配、测试的每一步都需要生成文档。这被称为Route 1S。另一种选择是使用Route 2S流程。这是一条通过实际使用验证的路线。当大批量产品导入最终客户系统并在现场使用数千小时时时时，仍可通过向认证机构提供以下证据认证产品：

● 现场使用的数量

● 现场退货分析并详细说明退货不是因为元器件本身

● 故障造成的

● 安全数据手册，详细说明诊断及其覆盖率

● 引脚和裸片FMEDA

03 3线RTD设计

● RTD

RTD适合测量–200°C至 850°C在温度范围内，温度的响应接近线性。RTD镍、铜、铂是典型元素，1000 Ω和1000 Ω铂制RTD较为常见。RTD有两线、三线或四线形式，其中三线和四线形式较为常用。RTD无源传感器需要激励电流来产生输出电压。RTD输出电平从几十毫伏到几百毫伏不等，取决于所选择的RTD。

● RTD设计

图1显示三线RTD系统。AD7124-4/AD7124-8是用于RTD测量的集成解决方案包括系统所需的所有构建模块。为了全面优化系统，需要两个理想的匹配电流源。这两个电流源用于抵消RL1引线电阻误差。通过精确基准电阻的激励电流RREF和RTD。另一个电流通过导线电阻RL2.产生的电压和RL1上压降相抵消。精密基准电阻上产生的电压用作ADC的基准电压REFIN1(±)。使用激励电流产生基准电压和RTD因此，电流源的精度、失配和失配漂移ADC整体转换函数的影响极小。AD7124-4/AD7124-8允许用户选择激励电流值来调整系统ADC的大部分输入范围，提高性能。

图1. 3线RTD温度系统

RTD为了使用，需要放大低电平输出电压ADC大部分输入范围。AD7124-4/AD7124-8的PGA可设置1-128的增益，允许用户选择激励电流值和增益与性能。抗混叠和EMC目的，传感器和ADC之间需要滤波。基准电压缓冲器支持无限滤波器R、C也就是说，这些元件不会影响测量精度。

该系统还需要校准，以消除增益和失衡误差。图1显示了三线B级RTD实施内部零电平和满量程校准后的测量温度误差远小于±1°C。

● ADC要求

温度测量系统主要是低速测量(最高速度通常是每秒100次采样)，因此需要低带宽ADC。但是，该ADC必须有高分辨率。Σ-Δ型ADC适合此类应用，因为利用Σ-Δ低带宽、高分辨率的结构可以开发ADC。

采用Σ-Δ对于模拟输入连续采样，采样频率远高于目标频段。它还使用噪声整形手术将噪声推到目标频段以外，进入转换过程中未使用的区域，从而进一步降低目标频段中的噪声。数字滤波器会衰减目标频段以外的任何信号。

数字滤波器在采样频率和采样频率的倍数处有镜像，因此需要一些外部抗混叠滤波器。然而，由于采样过多，一个简单的阶段RC滤波器足以满足大多数应用程序的要求。Σ-Δ架构允许24位ADC峰值分辨率高达21.7(21.7个稳定或无闪烁位)。Σ-Δ架构的其他优点包括：

● 模拟输入宽共模范围

● 基准输入宽范围

● 可支持比例配置

图2. 频率响应，后置滤波器，25 SPS：(a) DC至600 Hz，(b) 40 Hz至 70 Hz。

● 滤波（50 Hz/60 Hz抑制）

除上述抑制噪声外，数字滤波器还用于提供50 Hz/60 Hz抑制。当系统采用主电源供电时，50会发生 Hz或60 Hz干扰。产生50个交流电源 Hz及其倍数(欧洲)和60 Hz以及倍数(美国)的噪声。低带宽ADC主要使用sinc滤波器可设置50个陷波频率 Hz和/或60 Hz提供50倍数 Hz/60 Hz抑制其倍数。现在越来越多地要求利用建立时间较短的滤波方法提供50 Hz/60 Hz抑制。在多通道系统中，ADC对所有使能通道进行顺序处理，个通道上产生转换结果。选择通道后，滤波器需要建立时间来产生有效的转换结果。如果建立时间缩短，可以增加给定时间内转换的通道数。AD7124-4/AD7124-8后置滤波器或FIR可提供50个滤波器 Hz/60 Hz同时抑制，并且其建立时间比sinc3或sinc滤波器要短。图3显示了一个数字滤波器选项:此后，41设置滤波器.53 ms，并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同时抑制。

图4. 将设置分配给通道

● 其他功能

AD7124-4/AD7124-8包含一个温度传感器，也可用于监测芯片温度。这两个设备ESD额定值均为4 kV，支持稳定的解决方案。这些设备使用5 × 5 mm LFCSP适用于本质安全设计。

根据IEC 61508使用这些设备的典型温度FMEDA表示安全失效率(SFF)超过90%。一般需要两个传统。ADC要达到这个水平。

● 内置诊断的其他好处

除了BOM除了节约成本外，诊断还可以从其他方面节约成本：避免设计的复杂性，减少资源的使用，加快客户产品的上市时间。让我们通过以下例子来理解这一点：

AD7124-4/AD7124-8有一个MCLK用于测量主时钟频率并捕捉提供的主时钟的任何不一致性的计数器。主时钟计数器是每131个8位寄存器MCLK周期增加一次。寄存器由SPI读取主机以确定内部/外部614.4 kHzAD代理时钟的频率。

如果必须在AD7124-4/AD7124-8外部实施MCLK如何检查频率？这将需要以下硬件资源：

● 带外设的微控制器(如计数器和外部中断控制器)

● 施密特触发电路

另外，请注意，存储和运行代码(包括中断服务例程)需要存储器。简而言之，实施计划将是。

图9. RTD应用原理图

我们将危险故障定义为可能导致的ADC输出或SPI如果输出错误严重，可能会导致危险故障。

安全状态定义为：

○ 根据安全功能，输出数据代表输入

○ 位置错误

○ ADC输出转换结果为0或1

○ 无SPI通信单

根据IEC 61508，AD7124-4/AD7124-8被认定为B类系统。FMEDA，让我们以时钟模块为例，分析其故障模式。表2显示了当时钟模块面临第一列中描述的故障模式时会发生什么，它对输出的影响，诊断覆盖率，最后是分析。

表2. 主时钟模块故障模式的影响、诊断和分析

同样，我们随后分析AD7124-4/AD7124-8中的其他模块。请注意，可能存在一些不影响安全功能的故障；例如，AIN0引脚上的故障不会导致温度测量问题，因此可以从安全计算中消除。FMEDA结果将是计算安全故障、危险检测故障和危险未检测故障的故障率SFF。

07 引脚FMEDA

引脚FMEDA分析AD7124-4/AD7124-8引脚上的各种故障及其在此RTD应用的后果。选择每个引脚，逐步分析引脚开路、短接收电源/接地或短接收相邻引脚的后果。

例如，图10中的引脚29 (DIN)例如，参考图9所示的应用原理图，检查不同故障的后果。表3显示了故障模式、影响和检测。

图10. 32引脚LFCSP引脚配置

表3. 引脚DIN故障模式、影响和分析

请注意，分析是针对图9所示的应用原理图进行的，因此不会对未使用引脚的分析产生任何影响。

08 Route 2S，也称为"使用证明"

我们已经讨论了第一种评估方法。现在我们讨论了另一种方法，叫做"使用证明"或Route 2S。该方法适用于已发布的设备，并基于对客户退货和已发货数量的分析。

可以这样做SIL认证就像这部分完全按照IEC61508标准开发是一样的。如果过去模块/系统设计师成功使用某一标准IC，了解现场故障率后，他可以宣布"使用验证后"(Route 2S)。

请注意，Route 2S集成电路设计师或制造商很难做出这样的声明，因为他们通常不知道最终应用程序或拥有完整的现场故障设备收集、故障分析过程和数据。

09 结论

RTD测量系统对ADC对系统的要求很高。这些传感器产生的模拟信号很小。这些信号需要增益级放大，放大器的噪音必须很低，以免淹没传感器的信号。放大器需要高分辨率ADC，将传感器的低电平信号转换为数字信息。除了ADC除了增益级，温度系统还需要其他部件，如激励电流。同样，这些元件必须是低漂移、低噪声元件，以免降低系统精度。校准可以消除失调等初始精度误差，但元件随温度漂移必须很低，以免引入误差。客户设计可以简化集成激励模块和测量模块。在设计功能安全时，还需要诊断。将诊断与激励和测量模块集成在一起，可以简化整体系统设计，减少BOM，缩短设计时间，加快产品上市。

FMEDA等待文件包含客户认证最终设计中组件所需的所有信息。然而，认证组件本身可以进一步简化与认证机构的沟通。Route 2S该过程允许对发布后的产品进行认证。鉴于许多已发布的设备适合功能安全设计，这是一种非常有用的方法。