如何改善多路復(fù)用RTD測量電路的精度

電阻溫度檢測器(RTD) 可在很多工業(yè)應(yīng)用中監(jiān)控溫度。在一個(gè)分布式控制系統(tǒng) (DCS)或可編程邏輯控制器 (PLC)中, 一個(gè)數(shù)據(jù) 采集模塊可用來監(jiān)控很多安裝在遠(yuǎn)處的RTD 溫度。在高性能應(yīng)用中，若每個(gè)RTD 都自帶激勵(lì)電路和ADC，則具有最佳的精度，但數(shù)據(jù)采集模塊將會(huì)體積龐大、成本高昂，且功耗高。多路復(fù)用模塊具有體積較小、成本和功耗較低的特性，但可能會(huì)損失一定精度性能。本文討論如何最小化多路復(fù)用系統(tǒng)誤差。

電路結(jié)構(gòu)

提供雙線式、三線式和四線式RTD 配置，其中，雙線式配置的器件成本最低，四線式器件精度最佳。三線式RTD 通常用 于工業(yè)應(yīng)用中，可采用兩個(gè)相同的電流源激勵(lì)，以消除引腳電阻。與精密參考電阻一同使用時(shí)，電流源誤差不影響測量精度。高性能ADC（如AD7792和AD7793集成激勵(lì)電流源，適合高精度RTD 測量。

圖1 顯示片內(nèi)電流源激勵(lì)兩個(gè)三線式RTD。RTD 通道可由多 路復(fù)用器選擇，如ADG5433高壓、防閂鎖、三路SPDT 開關(guān)。

一次只能測量一個(gè)RTD。S1A、S1B 和S1C 閉合測量RTD #1； S2A、S2B 和S3B 閉合測量RTD #2。單個(gè)ADG5433 可切換兩個(gè)三線式RTD；可增加額外的多路復(fù)用器處理兩個(gè)以上的傳感 器。RLXX表示RTD 和測量系統(tǒng)之間由于導(dǎo)線過長引入的電阻以及開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

計(jì)算RTD電阻

由于S1A、S1B 和S1C 閉環(huán)測量RTD #1，RTD 電阻可計(jì)算如下：

因此，測量值僅取決于 RREF的數(shù)值（和精度）。但請記住，我們假定
IOUT1 = IOUT2 ，并且 RL1A = RL1B = RL1C。事實(shí)上，這些電流和電阻失配是測量誤差的主要來源。

電流源和線路電阻失配的影響

下一步，假定兩個(gè)電流源失配，比如 IOUT2 = (1 + x) IOUT1。現(xiàn)在，考慮下列情況：

請注意，失配會(huì)導(dǎo)致失調(diào)誤差以及增益誤差。失調(diào)誤差與兩個(gè)引腳電阻之間的失配有關(guān)，而增益誤差與兩個(gè)電流源之間的失配有關(guān)。如果不考慮這些失配情況，則根據(jù)ADC 的數(shù)據(jù)讀數(shù)計(jì)算的RTD 電阻值將是不準(zhǔn)確的。

以200 Ω RTD 為例, 表1 顯示不考慮失配時(shí)，得到的數(shù)值；其中RREF = 1000 Ω, IOUT1 = 1 mA, IOUT2 > IOUT1 （以百分比顯示）， RL1A= 10 Ω, RL1C > RL1A （以電阻值顯示）。

最小化誤差

數(shù)據(jù)顯示很小的失配就會(huì)嚴(yán)重影響精度，因此應(yīng)當(dāng)使用匹配良好的電流源和開關(guān)，以便改進(jìn)性能。

傳遞函數(shù)是線性的，因此可輕松校準(zhǔn)電流源和電阻失配導(dǎo)致的初始誤差。然而，失配隨溫度的變化而改變，這使得補(bǔ)償變得 很不容易。因此，選用的器件應(yīng)隨溫度的變化而具有低漂移特性。

若 IOUT1 ≠ IOUT2, 且電流源如圖所示連接：

假定我們交換 IOUT1 和 IOUT2, 使 IOUT1 連接 VIN– 和 IOUT2 并連接 VIN+:

現(xiàn)在，如果我們對轉(zhuǎn)換結(jié)果求和，并且電流源以初始方向連接， 同時(shí)第二次轉(zhuǎn)換時(shí)交換電流源，則可得：

請注意，測量值現(xiàn)已獨(dú)立于電流源失配。唯一的缺點(diǎn)是速度的損失，因?yàn)槊看蜶TD 計(jì)算都需經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換。

AD7792 和AD7793 針對該應(yīng)用設(shè)計(jì)。如圖2 所示，通過寫入 I/O 寄存器，集成開關(guān)可簡化電流源到輸出引腳的交換。

結(jié)論

在AD7792/AD7793 器件內(nèi)交換激勵(lì)電流源可改善多路復(fù)用 RTD 測量電路的精度。計(jì)算顯示了電流源和線路電阻之間失配 問題的重要性