關(guān)于RTD 溫度傳感系統(tǒng)的優(yōu)化方案

在本文中，我們介紹了三種不同的 RTD 配置：2 線、3 線和 4 線。

4 線 RTD 連接圖

4 線 RTD 配置可提供最佳性能。與其他兩種配置相比，系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的唯一問題是傳感器本身的成本和 4 針連接器的尺寸。在這種配置中，由于引線引起的錯誤會被返回線固有地消除。4 線配置使用開爾文感應(yīng)，通過兩根線將激勵電流傳送到 RTD 和從 RTD 傳出，而其余兩根線則感應(yīng)流經(jīng) RTD 元件本身的電流。由于引線電阻引起的錯誤會被固有地消除。4 線配置僅需要一個激勵電流 IOUT，如圖 1 所示。ADC 的三個模擬引腳用于實現(xiàn)單個 4 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT。

圖 1. 單個和多個 4 線 RTD 模擬輸入配置測量。（來源：ADI）

當(dāng)設(shè)計使用多個 4 線 RTD 時，可以使用單個激勵電流源，激勵電流被引導(dǎo)到系統(tǒng)中的不同 RTD。通過將參考電阻器放置在 RTD 的低端，單個參考電阻器可以支持所有 RTD 測量；也就是說，參考電阻由所有 RTD 共享。請注意，如果 ADC 的基準(zhǔn)輸入具有較寬的共模范圍，則基準(zhǔn)電阻器可以放置在高端或低端。因此，對于單個 4 線 RTD，可以使用高端或低端的參考電阻。但是，當(dāng)在系統(tǒng)中使用多個 4 線 RTD 時，將參考電阻器置于低端是有利的，因為所有 RTD 可以共享一個參考電阻器。請注意，某些 ADC 包含參考緩沖器。這些緩沖區(qū)可能需要一些空間，因此，如果啟用了緩沖器，則需要一個余量電阻。啟用緩沖器意味著可以將更強(qiáng)大的濾波連接到參考引腳，而不會導(dǎo)致 ADC 內(nèi)的增益錯誤等錯誤。

2 線 RTD 連接圖

2 線 RTD 配置是最簡單的配置，如圖 2 所示。對于 2 線配置，只需要一個激勵電流源。因此，ADC 的三個模擬引腳用于實現(xiàn)單個 2 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP 和 AINM）用于檢測 RTD 兩端的電壓。 當(dāng)設(shè)計使用多個 2 線 RTD 時，可以使用單個激勵電流源，激勵電流被引導(dǎo)到系統(tǒng)中的不同 RTD。通過按照 4 線配置將參考電阻器放置在 RTD 的低端，單個參考電阻器可以支持所有 RTD 測量；也就是說，參考電阻由所有 RTD 共享。

圖 2. 單個和多個 2 線 RTD 模擬輸入配置測量。（來源：ADI）

2 線配置是三種不同布線配置中精度最低的，因為測量點的實際電阻包括傳感器的電阻以及引線 RL1 和 RL2，因此增加了 ADC 上的電壓測量值。如果傳感器是遠(yuǎn)程的并且系統(tǒng)使用很長的電線，那么錯誤將很嚴(yán)重。例如，24 AWG 銅線的 25 英尺長的等效電阻為 0.026 Ω/英尺（0.08 Ω/米）×2 × 25 英尺到 1.3 Ω。因此，由于導(dǎo)線電阻，1.3 Ω 導(dǎo)線電阻會產(chǎn)生 （1.3/0.385） = 3.38°C（大約）的誤差。導(dǎo)線電阻也會隨溫度而變化，這會增加額外的誤差。

3 線 RTD 連接圖

使用 3 線 RTD 配置可以顯著改善由 2 線 RTD 配置的引線電阻引起的顯著誤差。在本文中，我們使用第二個激勵電流（如圖 3 所示）來消除 RL1 和 RL2 產(chǎn)生的引線電阻誤差。因此，ADC 的四個模擬引腳用于實現(xiàn)單個 3 線 RTD 配置：兩個引腳用于激勵電流（IOUT0 和 IOUT1），兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP 和 AINM），用于感測兩端的電壓RTD。

圖 3. 單個和多個 3 線 RTD 模擬輸入配置測量。（來源：ADI）

有兩種方法可以配置 3 線 RTD 電路。方法 1 將參考電阻器放置在頂部，因此第一個激勵電流 IOUT0 流向 R REF，RL1 然后流向 RTD，第二個電流流過 RL2 引線電阻并產(chǎn)生一個電壓，以抵消 RL1 引線電阻上的電壓降。 因此，良好匹配的勵磁電流完全消除了由于引線電阻引起的誤差。如果激勵電流有一些失配，則使用這種配置可以最大限度地減少失配的影響。相同的電流流向 RTD 和 R REF；因此，兩個 IOUT 之間的任何不匹配只會影響引線電阻計算。此配置在測量單個 RTD 時很有用。

測量多個 3 線 RTD 時，建議在底部使用參考電阻（方法 2），因此只能使用單個參考電阻，從而最大限度地降低總體成本。然而，在這種配置中，一個電流流過 RTD，而兩個電流都流過參考電阻。因此，IOUT 中的任何不匹配都會影響參考電壓的值以及引線電阻的消除。當(dāng)存在勵磁電流失配時，這種配置會比方法 1 有更大的誤差。有兩種可能的方法來校準(zhǔn) IOUT 之間的失配和失配漂移，從而提高第二種配置的精度。首先是通過斬波（交換）激勵電流進(jìn)行校準(zhǔn)，對每個相位進(jìn)行測量，然后對兩次測量進(jìn)行平均。另一種解決方案是測量實際勵磁電流本身，然后使用計算出的失配來補(bǔ)償微控制器中的失配。有關(guān)這些校準(zhǔn)的更多詳細(xì)信息，請參見CN-0383 。

Jellenie Rodriguez是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的一名應(yīng)用工程師。她的重點是用于直流測量的精密 Σ-Δ ADC。她于 2012 年加入 ADI，并于 2011 年畢業(yè)于 San Sebastian College-Recoletos de Cavite，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。

Mary McCarthy是ADI公司的一名應(yīng)用工程師。她于 1991 年加入 ADI，在愛爾蘭科克的線性和精密技術(shù)應(yīng)用部門工作，專注于精密 sigma-delta 轉(zhuǎn)換器。Mary 于 1991 年畢業(yè)于科克大學(xué)，獲得電子和電氣工程學(xué)士學(xué)位。