在由兩部分組成的系列文章的第一篇文章中，我們將討論功能安全系統的電阻溫度檢測器 （RTD） 電路設計，并介紹 Route 2S 組件認證過程的注意事項，第二篇文章將對此進行更詳細的介紹。認證系統是一個漫長的過程，因為必須檢查系統中的所有組件是否存在潛在的故障機制，并且有各種方法來診斷故障。使用已通過認證的部件可簡化此工作量以及認證過程。

介紹

溫度是過程控制系統中的關鍵測量。它可以是直接測量，測量化學反應的溫度。它也可以是補償測量 - 例如，壓力傳感器的溫度補償。對于任何系統設計，這種測量準確、可靠和穩健至關重要。對于某些最終設計，檢測系統故障至關重要，如果系統發生故障，則將其轉換為安全狀態。在這些環境中使用功能安全的設計。認證級別表示設計中包含的診斷覆蓋率級別。

什么是功能安全

在功能安全設計中，任何故障都需要由系統檢測。想想一個煉油廠，里面有一個儲罐正在加滿。如果液位傳感器發生故障，重要的是檢測到此故障，以便可以主動關閉油箱的閥門。這將防止儲罐溢出并避免潛在的危險爆炸?；蛘撸梢允褂萌哂?。這是可以在設計中使用兩個液位傳感器的地方，以便當第一個液位傳感器發生故障時，系統可以繼續使用第二個液位傳感器運行。當設計獲得認證時，它被賦予SIL評級。此額定值表示設計提供的診斷覆蓋率。SIL 等級越高，解決方案越穩健。SIL 2 等級表示可以診斷系統中超過 90% 的故障。為了認證設計，系統設計人員必須向認證機構提供有關潛在故障的證據，無論這些故障是安全故障還是危險故障，以及如何診斷故障。需要FIT等數據以及系統中不同組件的故障模式效應和診斷分析（FMEDAs）。

設計溫度系統

在本文中，我們將重點介紹 RTD。但是，有許多不同類型的溫度傳感器 - RTD，熱敏電阻和熱電偶。設計中使用的傳感器取決于所需的精度和被測的溫度范圍。每種傳感器類型都有自己的要求：

熱電偶偏置

激勵 RTD 的激勵電流

熱電偶和熱敏電阻的絕對基準

因此，除了ADC之外，還需要其他構建模塊來激勵傳感器并在前端調節傳感器。為了功能安全，所有這些模塊都必須可靠且堅固。此外，不同塊的任何故障都必須是可檢測的。傳統上，系統設計人員使用重復，因此將使用兩個信號鏈，每個信號鏈檢查另一個信號鏈以確保：

傳感器已連接

沒有開口或短褲

引用位于正確的級別

美聯杯仍在運作

認證過程需要文檔來證明設計是穩健的。這是一個耗時的過程，有時很難從IC制造商那里獲得一些信息。

然而，AD7124-4/AD7124-8集成模擬前端現在包括RTD設計所需的所有構建模塊。此外，嵌入式診斷消除了出于診斷目的而重復信號鏈的需要。除了芯片增強功能外，ADI公司還提供文檔，其中包括認證機構（FIT引腳FMEDA，芯片FMEDA）所需的所有信息。這簡化了功能安全的認證過程。

IEC 61508 是功能安全設計的規范。該規范記錄了開發SIL認證部件所需的設計流程。需要為每個步驟生成文檔，從概念、定義、設計、布局、制造、裝配和測試。這被稱為路線1S。另一種選擇是使用 Route 2S 流。這是一個經過驗證的使用途徑，因此，當大量產品被設計到最終客戶的系統中并在現場使用1000多個小時時，產品仍然可以通過向認證機構提供以下證據來認證：

現場使用的卷

分析來自現場的任何退貨，并詳細說明退貨不是由于組件本身的故障造成的

安全數據表，詳細說明診斷及其提供的覆蓋范圍

引腳和芯片

3 線 RTD 設計

RTD可用于測量–200°C至+850°C范圍內的溫度，并且在此溫度范圍內具有近線性響應。用于RTD的典型元素是鎳，銅和鉑，其中100 Ω和1000 Ω鉑RTD是最常見的。RTD由兩根、三根或四根電線組成，其中3線和4線是最常用的。這些是無源傳感器，需要激勵電流來產生輸出電壓。這種RTD的輸出電壓電平從10毫伏到100毫伏不等，具體取決于所選的RTD。

圖1所示為3線RTD系統。AD7124-4/AD7124-8是一款集成式RTD測量解決方案，包括系統所需的所有構建模塊。為了全面優化該系統，需要兩個完全匹配的電流源。這兩個電流源用于消除RL1產生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過兩個精密基準電阻R裁判和 RTD。第二個電流流過引線電阻RL2，并產生一個電壓，抵消RL1兩端的壓降。精密基準電阻兩端產生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1（±）。由于一個激勵電流用于產生基準電壓和RTD兩端的電壓，因此電流源精度、失配和失配漂移對整個ADC傳遞函數的影響極小。AD7124-4/AD7124-8提供激勵電流值選擇，允許用戶調諧系統，以便使用大部分ADC輸入范圍，從而提高性能。

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圖1. 3線RTD溫度系統。

RTD的低電平輸出電壓需要放大，以便使用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可在1至128增益范圍內進行編程，使客戶能夠在激勵電流值與增益和性能之間進行權衡。傳感器和ADC之間需要濾波，以實現抗混疊和EMC目的。基準電壓緩沖器允許濾波器的R和C分量具有無限的值。也就是說，這些組件不會影響測量的準確性。

還需要在系統中進行校準，以消除增益和失調誤差。圖1顯示了該3線B類RTD在內部零電平和滿量程校準后測得的溫度誤差，總誤差遠小于±1°C。

模數轉換器要求

對于溫度系統，測量主要是低速（通常高達每秒100個樣品）。因此，需要一個低帶寬ADC。但是，ADC必須具有高分辨率。Σ-Δ型ADC適合這些應用，因為可以使用Σ-Δ架構開發低帶寬、高分辨率ADC。

使用Σ-Δ轉換器時，模擬輸入被連續采樣，采樣頻率遠高于目標頻帶。它們還使用噪聲整形，將噪聲從目標頻帶推入轉換過程未使用的區域，從而進一步降低目標頻帶中的噪聲。數字濾波器可衰減目標頻帶外的任何信號。

數字濾波器確實具有采樣頻率和采樣頻率倍數的圖像。因此，需要一些外部抗混疊濾波器。然而，由于過采樣，一個簡單的一階RC濾波器足以滿足大多數應用的需求。
Σ-Δ架構允許開發p-p分辨率高達21.7位（21.7位穩定或無閃爍位）的24位ADC。西格瑪-三角形架構的其他優點包括：

模擬輸入的寬共模范圍

基準輸入的寬共模范圍

能夠支持比例配置

濾波（50 Hz/60 Hz 抑制）

除了如前所述抑制噪聲外，數字濾波器還可用于提供50 Hz/60 Hz抑制。當系統從主電源運行時，干擾發生在 50 Hz 或 60 Hz 處。在歐洲有50 Hz的電源生成頻率及其倍數，在美國有60 Hz及其倍數。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器，可對其進行編程，以將陷波設置為50 Hz和/或60 Hz以及50 Hz和60 Hz的倍數，從而在50 Hz/60 Hz及其倍數下提供抑制。使用具有低建立時間的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制的要求越來越高。在多通道系統中，ADC通過所有使能通道進行排序，并在每個通道上產生轉換。選擇通道時，需要濾波器建立時間才能生成有效的轉換。如果建立時間縮短，則在給定時間段內轉換的通道數會增加。AD7124-4/AD7124-8內置后置濾波器或FIR濾波器，與sinc3或sinc4濾波器相比，它們可在較短的建立時間內同時提供50 Hz/60 Hz抑制。圖3顯示了一個數字濾波器選項：該后置濾波器的建立時間為41.53 ms，并提供62 dB的50 Hz/60 Hz同步抑制。

診斷

對于功能安全的設計，構成RTD系統的所有功能都需要診斷。由于AD7124-4/AD7124-8具有多個嵌入式診斷功能，因此簡化了設計復雜性和設計時間。它還消除了復制信號鏈以進行診斷覆蓋的需要。

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圖 2。頻率響應，后置濾波器，25 SPS：（a） 直流至 600 赫茲和 （b） 40 赫茲至 70 赫茲。

典型的診斷要求是：

電源/基準電壓/模擬輸入監控

開路檢測

轉換/校準檢查

信號鏈功能檢查

讀/寫監控

注冊內容監控

讓我們更詳細地看一下嵌入式診斷。

SPI 診斷

CRC可在AD7124-4/AD7124-8上使用。啟用后，所有讀取和寫入操作都包含 CRC 計算。
校驗和（8 位寬）是使用多項式生成的

因此，每次寫入AD7124-4/AD7124-8時，處理器都會生成一個CRC值，該值附加到發送到ADC的信息中。ADC根據收到的信息生成自己的CRC值，并將其與從處理器接收的CRC值進行比較。如果兩個值都一致，則確保信息完好無損，并將寫入相關的片內寄存器。如果 CRC 值不匹配，則表示傳輸中發生了位損壞。在這種情況下，AD7124-4/AD7124-8會設置一個錯誤標志，指示發生了數據損壞。他們還通過不將損壞的信息寫入登記冊來自我保護。同樣，當從AD7124-4/AD7124-8讀取信息時，它們將生成CRC值以伴隨信息。處理器將處理此 CRC 值，以確定傳輸是否有效或已損壞。

AD7124-4/AD7124-8數據手冊列出了客戶（用戶寄存器）可以訪問的寄存器。AD7124-4/AD7124-8檢查被訪問寄存器的地址。如果用戶嘗試讀取或寫入數據手冊中未記錄的寄存器，則會設置一個錯誤標志，指示處理器正在嘗試訪問非用戶寄存器。同樣，伴隨這種登記冊訪問的任何信息都不適用于登記冊。

AD7124-4/AD7124-8還具有一個SCLK計數器。所有讀取和寫入操作都是 8 的倍數。當 CS 用于幀讀取和寫入操作時，SCLK 計數器會在 CS 較低時計算每個讀/寫操作中使用的 SCLK 脈沖數。當 CS 被高時，通信中使用的 SCLK 數應為 8 的倍數。如果 SCLK 上發生毛刺，則會導致 SCLK 脈沖過多。如果發生這種情況，AD7124-4/AD7124-8會再次設置錯誤標志，并放棄輸入的任何信息。

狀態寄存器指示正在轉換的信道。讀取數據寄存器時，狀態位可以附加到轉換結果中。這為處理器/ADC通信增加了另一層魯棒性。

因此，提到的所有診斷程序都可確保ADC和處理器之間的通信可靠。它們確保AD7124-4/AD7124-8僅接受有效信息。當 CS 用于幀讀取和寫入操作時，每次 CS 升高時，串行接口都會重置。這可確保所有通信都從已定義或已知狀態開始。

內存檢查

每次片內寄存器被改變（例如改變增益）時，都會在寄存器上執行CRC，并將產生的CRC值臨時存儲在內部。AD7124-4/AD7124-8定期在內部對寄存器執行額外的CRC檢查。將生成的 CRC 值與存儲的值進行比較。如果值由于位翻轉而不同，則設置一個標志。這向處理器指示寄存器設置已損壞。然后，處理器可以復位ADC并重新加載寄存器。

片內ROM保存默認寄存器值。上電或復位后，ROM內容將應用于用戶寄存器。在最終的生產測試中，計算ROM內容的CRC，并將得到的CRC值存儲在ROM中。上電或復位時，再次對ROM內容執行CRC，并將得到的CRC值與保存的值進行比較。如果值不同，則表示默認寄存器設置將不符合預期。需要電源循環或復位。

信號鏈檢查

包括許多信號鏈檢查。電源軌（視音頻斷續器、視聽黨衛軍和斷續器） 可以應用于ADC輸入，從而允許監視電源軌。AD7124-4/AD7124-8內置一個模擬和一個數字低壓差（LDO）穩壓器。這些也可以應用于ADC并進行監控。AD7124-4/AD7124-8內置x-多路復用功能。此外，視音頻黨衛軍可以在內部用作 AIN–。這允許檢查模擬輸入引腳上的絕對電壓。因此，客戶可以探測輸出激勵電流的引腳，并探測 AIN+ 和 AIN– 引腳。這將檢查連接性，并確保各個引腳上的電壓處于正確的水平。

為了檢查基準電壓，參考電壓檢測功能將指示參考電壓過低?？蛻暨€可以選擇內部基準作為模擬輸入，以便用于監控外部基準電阻兩端產生的電壓。這假設基準電壓電阻兩端的電壓略高于2.5 V（內部基準電壓源的幅度）。

AD7124-4/AD7124-8還內置一個20 mV電源。這對于檢查增益級很有用。例如，以20 mV作為模擬輸入，增益可以從1變為2，4，...128. 每次增益增加時，轉換結果將按2倍縮放，這證實了增益級正常工作。

X多路復用在檢查卡住的位時也很有用。它允許交換 AIN+ 和 AIN 引腳。然后轉換結果將反轉。因此，將20 mV與x多路復用一起使用，用戶可以檢查卡住的位。

為 AIN+ 和 AIN– 選擇相同的模擬輸入引腳并偏置此內部短路，可以檢查 ADC 噪聲，確保其工作在規格范圍內。嵌入式基準電壓源（+2.5 V）可在內部選擇作為ADC的輸入，因此再次應用+V裁判和 –V裁判有助于確認信號鏈是否正常工作。

可編程的燒壞電流對于檢查傳感器連接非常有用。PT100 在 –200°C 時的典型電阻為 18 Ω，在 +850°C 時的電阻為 390.4 Ω。 啟用燒壞電流后，可以執行轉換。如果RTD短路，將獲得接近0的轉換結果。AIN+ 和 AIN 之間的開線將導致接近0xFFFFFF轉換。正確連接 RTD 后，永遠不應獲得接近 0 或全部 1 的代碼。

最后，AD7124-4/AD7124-8具有過壓和欠壓檢測功能。通過比較器連續監控正在轉換的 AIN+ 和 AIN– 引腳上的絕對電壓。當 AIN+ 或 AIN – 上的電壓超出電源軌（AV斷續器和視音頻黨衛軍).

這種高集成度減少了執行測量和提供診斷覆蓋范圍所需的物料清單（BOM）。設計時間和設計復雜性得以降低。

轉換/校準

AD7124-4/AD7124-8的轉換也受到監控。如果 （AIN+ – AIN–）/增益大于 +滿量程或小于 –滿量程，則設置一個標志。從ADC轉換到所有1s（模擬輸入太高）或所有0s（模擬輸入太低），以便客戶知道發生了故障。

對來自調制器的位流進行監控，以確保調制器不會飽和。如果發生飽和（調制器的20個連續1s或20個0s輸出），則設置一個標志。

AD7124-4/AD7124-8內置失調和再次校準以及系統失調和增益校準功能。如果校準失敗，則會將其標記給用戶。請注意，如果校準失敗，失調和增益寄存器不會更新。

電源

除了前面討論的電源檢查外，AD7124-4/AD7124-8還包括連續監控內部LDO穩壓器的比較器。因此，如果這些LDO穩壓器的電壓低于跳變點，則會立即報告誤差。

這些 LDO 穩壓器需要一個外部電容器。也可以檢查該電容器是否存在。

主頻計數器

濾波器配置文件和輸出數據速率與 MCLK 直接相關。當主時鐘為614.4 kHz時，數據手冊中列出的輸出數據速率是正確的。如果主時鐘改變頻率，輸出數據速率和濾波器陷波也會改變。例如，如果使用濾波器陷波來抑制50 Hz或60 Hz，則變化的時鐘會降低獲得的衰減。因此，了解時鐘頻率對于確保獲得最佳抑制效果很有價值。AD7124-4/AD7124-8內置一個MCLK計數器寄存器。該寄存器每131個MCLK周期遞增1個。要測量 MCLK 頻率，處理器中需要一個計時器。寄存器可以在時間 0 讀取，然后在計時器超時后讀取。有了這些信息，就可以確定主時鐘的頻率。

每通道配置

AD7124-4/AD7124-8允許每通道配置;也就是說，它們支持八種不同的設置，一種設置由基準源、增益設置、輸出數據速率和濾波器類型組成。當用戶配置通道時，八個設置之一將分配給該通道。請注意，通道可以是模擬輸入或診斷，例如測量電源（AV斷續器-視聽黨衛軍).因此，客戶可以設計一個由模擬輸入和診斷組成的序列。每通道配置允許診斷以與模擬輸入轉換不同的輸出數據速率運行。由于診斷不需要與主測量相同的精度，客戶可以將診斷與測量交錯，并以更高的輸出數據速率運行診斷。因此，這些嵌入式功能減少了處理器的工作負載。

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圖 3.每通道配置。

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圖 4。將設置分配給通道。

其他功能

AD7124-4/AD7124-8內置一個溫度傳感器，也可用于監控芯片溫度。兩款器件的ESD額定值為4 kV，是一款魯棒的解決方案。兩款器件均采用 5 × 5 mm LFCSP 封裝，該選件適用于本質安全設計。

根據 IEC 61508 標準，使用這些器件的典型溫度應用的 FMEDA 顯示安全故障分數 （SFF） 大于 90%。通常需要兩個傳統的ADC來提供這種級別的覆蓋。

內置診斷的其他優勢

除了節省 BOM 和成本外，診斷還可以節省設計復雜性、減少資源使用量以及為客戶縮短上市時間。讓我們借助以下示例來理解這一點：

AD7124-4/AD7124-8具有一個MCLK計數器，用于測量主時鐘頻率，并捕獲所提供的主時鐘中的任何不一致之處。主時鐘計數器是一個8位寄存器，每131個MCLK周期遞增一次。該寄存器由SPI主機讀取，以確定內部/外部614.4 kHz時鐘的頻率。

如果我必須在AD7124-4/AD7124-8外部實施MCLK頻率檢查，該怎么辦？它將需要以下硬件資源：

帶有外設的微控制器，如計數器和外部中斷控制器

施密特觸發電路

另外，請注意，存儲和運行包含中斷服務例程的代碼將需要內存?？傮w而言，該方案如圖 5 所示。

圖 5.MCLK頻率監視器由微控制器實現。

此外，我們必須確保代碼經過檢查，并且符合編碼指南和限制。因此，總體而言，實施單獨的診斷部分將產生大量開銷。因此，內置診斷功能帶來了額外的好處：

節省空間和物料清單

提高系統可靠性;更少的組件 =更高的可靠性

縮短上市時間

軟件開發 — 開發和運行用于診斷的例程

硬件測試

系統測試

節省微控制器內存

運行診斷不需要代碼

編碼指南要求進行大量的雙內存代碼檢查

即用型安全文檔可節省系統評估時間

RTD測量系統的ADC和系統要求非常嚴格。這些傳感器產生的模擬信號很小。這些信號需要由噪聲較低的增益級放大，以便放大器的噪聲不會淹沒來自傳感器的信號。放大器之后需要一個高分辨率ADC，以便將來自傳感器的低電平信號轉換為數字信息。除了ADC和增益級，溫度系統還需要其他元件，如激勵電流。同樣，這些元件必須是低漂移、低噪聲的元件，這樣系統精度才不會降低。初始誤差（如失調）可以在系統外進行校準，但元件的溫度漂移必須較低，以避免引入誤差。因此，集成激勵模塊和測量模塊可簡化客戶設計。在設計功能安全時，還需要進行診斷。通過將診斷與激勵和測量模塊集成在一起，簡化了整體系統設計，從而縮短了 BOM、設計時間和上市時間。

如下一篇文章所述，FMEDA等文檔包含客戶在最終設計中認證組件所需的所有信息。但是，對組件本身進行認證可以進一步簡化與認證機構的對話。Route 2S 流程允許產品在發布后獲得認證，因此這是一條有用的路線，因為目前已發布許多設備，這些設備適合功能安全的設計。

審核編輯 黃昊宇