作者：ADI 公司 ｜ Jellenie Rodriguez，應(yīng)用工程師 Mary McCarthy，應(yīng)用工程師

簡介

本文討論基于電阻溫度檢測器（RTD）的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文還涉及RTD選型和配置上的權(quán)衡。最后，本文詳細(xì)介紹了RTD系統(tǒng)優(yōu)化和評(píng)估。

RTD溫度測量為什么很重要？

溫度測量在很多不同的終端應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、狀態(tài)監(jiān)控（CbM）和醫(yī)療設(shè)備。不管監(jiān)控環(huán)境條件或校正系統(tǒng)的漂移性能如何，高準(zhǔn)確度和高精度都非常重要。有多種類型的溫度傳感器可以使用，例如熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD）、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。具體選擇何種溫度傳感器及如何設(shè)計(jì)，取決于所測量的溫度范圍和所需的精度。對(duì)于-200°C至+850°C之間的溫度，RTD可提供高精度和良好穩(wěn)定性的出色特性組合。

溫度測量的主要挑戰(zhàn)有哪些？

挑戰(zhàn)包括：

• 電流和電壓選擇。RTD傳感器是無源器件，不會(huì)自行產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵(lì)電流或電壓來測量傳感器的電阻，即讓一個(gè)小電流經(jīng)過傳感器以產(chǎn)生電壓。如何選擇電流/電壓？
• 具體設(shè)計(jì)的最佳選擇是2線式、3線式還是4線式？
• RTD信號(hào)應(yīng)如何調(diào)理？
• 如何調(diào)整上述變量，以便在規(guī)格范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建模塊？
• 在系統(tǒng)中連接多個(gè)RTD——如何連接傳感器？不同傳感器之間是否能共享一些模塊？對(duì)系統(tǒng)整體性能有何影響？
• 設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差是多少？

RTD選型指南

RTD概述

RTD傳感器的阻值是以某種精確定義的方式隨溫度變化的函數(shù)。最廣泛使用的RTD是鉑Pt100和Pt1000，其提供2線、3線和4線配置。其他RTD類型由鎳和銅制成。

表1.常見RTD類型

最常見的Pt100 RTD有兩種形狀：線繞和薄膜。每種類型都按照若干標(biāo)準(zhǔn)化曲線和容差構(gòu)建。最常見的標(biāo)準(zhǔn)化曲線是DIN曲線。DIN代表“Deutsches InsTItut für Normung”，意思是“德國標(biāo)準(zhǔn)化研究所”。曲線定義了鉑100Ω傳感器的阻值與溫度的關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)化容差和工作溫度范圍。其定義的RTD精度從0°C時(shí)100Ω的基本電阻開始。DIN RTD有不同的標(biāo)準(zhǔn)容差分類。這些容差顯示在表2中，它們也適用于低功耗應(yīng)用中使用的Pt1000 RTD。

表2.RTD精度—A類、B類、1/3 DIN

選擇RTD傳感器時(shí)，RTD本身及其精度都要考慮。溫度范圍隨元件類型而變化，以校準(zhǔn)溫度（通常在0°C）顯示的精度隨溫度而變化。因此，必須定義所測量的溫度范圍，并要考慮到任何低于或高于校準(zhǔn)溫度的溫度都會(huì)有更寬的容差和更低的精度。

RTD按照0°C時(shí)的標(biāo)稱電阻來分類。Pt100傳感器的溫度系數(shù)約為0.385Ω/℃，Pt1000的溫度系數(shù)比Pt100大10倍。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用這些系數(shù)來獲得近似的電阻到溫度轉(zhuǎn)換，但Callendar-Van Dusen方程提供了更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。

溫度t ≤ 0°C時(shí)，公式為：

溫度t ≥ 0°C時(shí)，公式為：

其中：

t為RTD溫度（°C）

RRTD（t）為RTD在溫度（t）時(shí)的電阻

R0為RTD在0°C時(shí)的電阻（本例中R0 = 100 Ω）

A = 3.9083 × 10−3

B = −5.775 × 10−7

C = −4.183 × 10−12

RTD接線配置

選擇RTD時(shí)需要考慮的另一個(gè)傳感器參數(shù)是其接線配置，這會(huì)影響系統(tǒng)精度。市場上有三種不同的RTD接線配置，每種配置都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可能需要采用不同技術(shù)來減小測量誤差。

2線配置是最簡單但精度最低的配置，原因是引線電阻的誤差及其隨溫度的變化導(dǎo)致了顯著的測量誤差。因此，這種配置僅用于引線很短的應(yīng)用或使用高電阻傳感器（例如Pt1000）的應(yīng)用，這樣可以最大程度地減小引線電阻對(duì)精度的影響。

3線配置使用三個(gè)引腳，優(yōu)勢突出，因而是使用最多的配置，在連接器尺寸最小化的設(shè)計(jì)中很有用（僅需要3個(gè)連接端子，而4線RTD需要4線端子）。相對(duì)于2線配置，3線配置在精度上也有顯著改善。3線配置中的引線電阻誤差可以通過不同的校準(zhǔn)技術(shù)來補(bǔ)償，本文稍后會(huì)介紹這些技術(shù)。

4線是最昂貴但最準(zhǔn)確的配置。這種配置消除了引線電阻及溫度變化效應(yīng)引起的誤差。因此，4線配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能。

RTD配置電路

高精度RTD傳感器測量需要精密信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和校準(zhǔn)。RTD測量系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)由不同電路級(jí)組成，如圖2所示。雖然信號(hào)鏈看起來很簡單，但其中涉及到幾個(gè)復(fù)雜因素，設(shè)計(jì)人員必須考慮復(fù)雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和模擬信號(hào)調(diào)理挑戰(zhàn)。由于相關(guān)模塊數(shù)量較多，上述因素會(huì)影響整體系統(tǒng)電路板尺寸和物料清單（BOM）成本。但好消息是，ADI公司提供了大量集成式解決方案。該完整的系統(tǒng)解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員簡化設(shè)計(jì)，減小電路板尺寸，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并降低整個(gè)RTD測量系統(tǒng)的成本。

圖1.RTD接線配置

圖2.典型RTD測量信號(hào)鏈模塊

三種RTD接線配置需要不同的接線技術(shù)來將RTD連接到ADC，另外還要考慮其他外部元件以及ADC的要求，例如激勵(lì)電流和靈活的多路復(fù)用器。本節(jié)將更深入地討論每種RTD配置電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

Σ-Δ型ADC

當(dāng)設(shè)計(jì)RTD系統(tǒng)時(shí)，Sigma-Delta（Σ-Δ）型ADC能提供多方面優(yōu)勢。首先，Σ-Δ型ADC能夠?qū)δM輸入過采樣，從而最大程度地減少外部濾波，只需要一個(gè)簡單的RC濾波器。另外，它們支持靈活地選擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率。在采用市電供電的設(shè)計(jì)中，內(nèi)置數(shù)字濾波可用來抑制交流電源的干擾。24位高分辨率ADC（如AD7124-4/AD7124-8）具有21.7位（最大值）的峰值分辨率。其他優(yōu)點(diǎn)包括：

• 寬共模范圍的模擬輸入
• 寬共模范圍的基準(zhǔn)輸入
• 能夠支持比率式配置
• 緩沖基準(zhǔn)電壓和模擬輸入

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

• 可編程增益放大器（PGA）
• 激勵(lì)電流
• 基準(zhǔn)電壓源/模擬輸入緩沖器
• 校準(zhǔn)功能

此類ADC顯著簡化了RTD設(shè)計(jì)，并且減少了BOM，降低了系統(tǒng)成本，縮小了電路板空間，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

對(duì)于本文，AD7124-4/AD7124-8用作ADC。這兩款器件是低噪聲、低電流精密ADC，集成了PGA、激勵(lì)電流、模擬輸入和基準(zhǔn)電壓緩沖器。

比率測量

比率式配置是使用RTD或熱敏電阻等電阻傳感器的系統(tǒng)的合適且高性價(jià)比的解決方案。采用比率式方法，基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓從同一激勵(lì)源獲得。因此，激勵(lì)源不需要很精確。圖3顯示了4線RTD應(yīng)用中的比率式配置示例。恒定的激勵(lì)電流為RTD和精密電阻RREF供電，RREF上產(chǎn)生的電壓就是RTD測量的基準(zhǔn)電壓。激勵(lì)電流的任何變化都不會(huì)影響測量的精度。因此，采用比率式方法時(shí)，允許使用噪聲較大且不那么穩(wěn)定的激勵(lì)電流。激勵(lì)電流具有更好的抗擾度，優(yōu)于電壓激勵(lì)。本文稍后會(huì)討論選擇激勵(lì)源值時(shí)需要考慮的主要因素。

圖3.4線RTD比率測量

IOUT/AIN共用引腳

許多RTD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用集成多路復(fù)用器和激勵(lì)電流的Σ-Δ型ADC，以支持多通道測量和靈活地將激勵(lì)電流連接到各傳感器。AD7124等ADC允許單個(gè)引腳同時(shí)用作激勵(lì)電流和模擬輸入引腳（參見圖4）。由于IOUT和AIN共用引腳，因此每個(gè)3線RTD傳感器只需要兩個(gè)引腳，這有利于增加通道數(shù)。但在這種配置中，抗混疊或電磁干擾（EMI）濾波中的大值電阻R與RTD串聯(lián)，會(huì)給RTD電阻值帶來誤差，因此R值受到限制。正因如此，通常建議為每個(gè)激勵(lì)電流源提供專用引腳，以避免給RTD測量帶來誤差。

圖4.3線RTD，IOUT/AIN引腳共用

4線RTD連接圖

4線RTD配置性能最佳。相比于其他兩種配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的唯一問題是傳感器本身的成本和4引腳連接器的尺寸。在這種配置中，引線引起的誤差通過返回線路消除。4線配置使用開爾文檢測，兩條線承載往返RTD的激勵(lì)電流，其余兩條線檢測RTD元件本身的電流。引腳電阻引起的誤差會(huì)被系統(tǒng)本身消除。4線配置只需要一個(gè)激勵(lì)電流IOUT，如圖5所示。來自ADC的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)4線RTD配置：一個(gè)引腳用于激勵(lì)電流IOUT，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用于檢測RTD上的電壓。

當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè)4線RTD時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電流源，并將激勵(lì)電流導(dǎo)向系統(tǒng)中的不同RTD。將基準(zhǔn)電阻放在RTD的低端，單個(gè)基準(zhǔn)電阻便可支持所有RTD測量。也就是說，該基準(zhǔn)電阻由所有RTD共享。請(qǐng)注意，如果ADC的基準(zhǔn)輸入具有寬共模范圍，則基準(zhǔn)電阻可以放在高端或低端。因此，對(duì)于單個(gè)4線RTD，可以使用高端或低端上的基準(zhǔn)電阻。但是，當(dāng)系統(tǒng)中使用多個(gè)4線RTD時(shí)，將基準(zhǔn)電阻放在低端是有利的，因?yàn)橐粋€(gè)基準(zhǔn)電阻可以由所有RTD共享。請(qǐng)注意，某些ADC內(nèi)置基準(zhǔn)電壓緩沖器。這些緩沖器可能需要一定的裕量，因此如果使能緩沖器，則需要裕量電阻。使能緩沖器意味著可以將更強(qiáng)大的濾波連接到基準(zhǔn)引腳而不會(huì)引起誤差，例如ADC內(nèi)的增益錯(cuò)誤。