LTC2986/LTC2986 - 1：多传感器高精度数字温度测量系统的深度解析

在电子工程领域，温度测量是一个至关重要的环节，广泛应用于工业控制、医疗设备、航空航天等众多领域。今天，我们将深入探讨 Linear Technology 公司的 LTC2986/LTC2986 - 1 多传感器高精度数字温度测量系统，揭开它的神秘面纱。

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一、产品概述

基本信息

LTC2986 能够测量多种温度传感器，并以 0.1°C 的精度和 0.001°C 的分辨率将结果以 °C 或 °F 形式数字输出。它可以测量几乎所有标准（Type B、E、J、K、N、S、R、T）或自定义热电偶，还能自动补偿冷端温度并对结果进行线性化处理。同时，它也能测量标准的 2 - 3 - 4 线 RTD、热敏电阻和二极管。LTC2986 - 1 是 LTC2986 的 EEPROM 版本，内置 EEPROM 可存储通道配置数据和自定义系数。

主要特性

• 多传感器支持：可直接数字化 2 - 3 - 4 线 RTD、热电偶、热敏电阻和二极管。
• 单电源供电：工作电源范围为 2.85V 至 5.25V。
• 灵活输入：拥有 10 个灵活输入，允许互换传感器。
• 自动冷端补偿：自动进行热电偶冷端补偿。
• 内置系数：内置热电偶、RTD 和热敏电阻的标准和用户可编程系数。
• 故障检测：具备自动烧断、短路和故障检测功能。
• 缓冲输入：缓冲输入允许外部保护。
• 噪声抑制：同时具备 50Hz/60Hz 抑制能力。
• 高精度参考：包含 15ppm/°C（最大）参考。
• 特殊保护模式：提供特殊保护模式。

二、电气特性

系统电气特性

• 电源电压：范围为 2.85V 至 5.25V。
• 电源电流：典型值为 15mA，最大值为 20mA。
• 睡眠电流：典型值为 25µA，最大值为 60µA。
• 输入范围：所有模拟输入通道为 - 0.05V 至 (V_{DD}-0.3V)。
• 输出速率：双转换周期模式下为 150 - 170ms，三转换周期模式下为 225 - 255ms。
• 输入共模抑制：50Hz/60Hz 时为 120dB。
• 输入差模抑制：60Hz 时为 120dB，50Hz 时为 120dB，50Hz/60Hz 时为 75dB。

ADC 电气特性

• 分辨率：无丢失码时为 24 位。
• 积分非线性：(V_{IN(CM)} = 1.25V) 时，典型值为 2ppm 参考电压，最大值为 30ppm 参考电压。
• 失调误差：典型值为 0.5µV，最大值为 2µV。
• 失调误差漂移：典型值为 10nV/°C，最大值为 20nV/°C。

参考电气特性

• 输出电压：(V_{REFOUT}) 为 2.49 - 2.51V。
• 输出电压温度系数：I - 级和 H - 级为 3 - 15ppm/°C，C - 级为 3 - 20ppm/°C。
• 线路调整率：最大值为 10ppm/V。
• 负载调整率：输出电流为 100µA 时，最大值为 5mV/mA。

三、应用信息

基本操作状态

LTC2986 的基本操作由五个状态组成：

1. 启动状态：上电后有 200ms 的唤醒期，期间 LDO、电荷泵、ADC 和参考电源上电，内部 RAM 初始化。启动完成后，INTERRUPT 引脚变高，命令状态寄存器返回 0x40。
2. 通道分配状态：启动完成后自动进入，用户将每个输入通道的传感器特定数据写入 RAM。对于 LTC2986 - 1，也可从 EEPROM 加载。
3. 启动转换状态：通过向 RAM 内存位置 0x000 写入测量命令来启动转换。
4. 转换状态：启动转换命令后自动开始新的转换，ADC 对指定通道和相关冷端或 (R_{SENSE}) 通道进行转换。转换期间用户无法访问 RAM（除读取状态位置 0x000）。
5. 读取结果状态：转换完成后，用户可访问 RAM 读取转换结果和故障状态位，也可修改/追加通道分配数据。

不同传感器测量

热电偶测量

对于每个连接到 LTC2986 的热电偶，需将 32 位通道分配字编程到对应通道的内存位置。该字包含热电偶类型、冷端通道指针、传感器配置和自定义热电偶数据指针。故障报告通过数据输出字的高字节表示。

二极管测量

每个连接的二极管，32 位通道分配字包含二极管传感器选择、传感器配置、激励电流和二极管理想因子。故障报告同样通过数据输出字的高字节表示。

RTD 测量

每个 RTD 的 32 位通道分配字包括 RTD 类型、感测电阻通道指针、传感器配置、激励电流、RTD 曲线和自定义 RTD 数据指针。不同的 RTD 配置（2 - 3 - 4 线）有不同的优缺点和适用场景。

热敏电阻测量

每个热敏电阻的 32 位通道分配字包含热敏电阻类型、感测电阻通道指针、传感器配置、激励电流和自定义热敏电阻数据指针。故障报告通过数据输出字的高字节表示。

四、EEPROM 操作

LTC2986 - 1 包含 512 字节的 EEPROM，可存储用户 RAM 中传感器配置段的数据。EEPROM 读写操作有严格的步骤和验证机制，以确保数据的安全性和完整性。

写入操作

1. 传感器配置：将所需的通道分配和自定义传感器数据写入 LTC2986 - 1 用户 RAM。
2. 设置 EEPROM 密钥：将 EEPROM 密钥（0xA53C0F5A）写入 LTC2986 - 1 用户 RAM 的密钥寄存器空间。
3. 发送 EEPROM 写入命令：将 EEPROM 写入命令（0x15）和起始位（0x80）写入 LTC2986 - 1 命令寄存器。
4. 等待命令完成：通过 INTERRUPT 引脚和状态寄存器的 START 位和 DONE 位判断写入操作是否完成。
5. 检查 EEPROM 状态寄存器：读取 EEPROM 状态寄存器，检查 Program - Failed 状态位，确定写入操作是否成功。

读取操作

1. 设置 EEPROM 密钥：同写入操作。
2. 发送 EEPROM 读取命令：将 EEPROM 读取命令（0x16）和起始位（0x80）写入 LTC2986 - 1 命令寄存器。
3. 等待命令完成：同写入操作。
4. 检查 EEPROM 读取结果代码：读取 EEPROM 读取结果代码寄存器地址，确定读取操作的通过/失败状态。

五、输入过压保护

温度传感器常处于恶劣环境，LTC2986 提供了多种过压保护机制，以适应不同类型的传感器。

热电偶保护

热电偶是低阻抗设备，外部过压保护电阻对温度测量精度影响较小。在输入通道和热电偶传感器之间放置限流电阻，同时添加 100pF 电容进行抗混叠滤波。

RTD 保护

• 4 线 RTD：在每个 RTD 端子和 LTC2986 输入通道之间放置保护电阻，由于激励电流不流经部分保护电阻，测量误差主要由输入泄漏电流决定。
• 3 线 RTD：LTC2986 提供 3 线 RTD 开尔文电流源模式，可消除由于保护电阻不匹配导致的误差。
• 2 线 RTD：LTC2986 提供 2 线开尔文电流源模式，可消除保护电阻带来的误差。

热敏电阻保护

热敏电阻的保护与 2 线 RTD 类似，LTC2986 提供热敏电阻开尔文电流源模式，消除保护电阻带来的误差。

六、总结

LTC2986/LTC2986 - 1 多传感器高精度数字温度测量系统以其丰富的功能、高精度的测量能力和完善的保护机制，为电子工程师在温度测量领域提供了一个强大而可靠的解决方案。无论是在工业自动化、医疗设备还是航空航天等领域，它都能发挥重要作用。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理配置传感器和参数，以充分发挥其性能优势。你在使用类似的温度测量系统时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。