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，本文詳細介紹了RTD系統(tǒng)優(yōu)化和評估。

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，取決于所測量的溫度范圍和所需的精度。對于-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，不會自行產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵電流或電壓來測量傳感器的電阻，即讓一個小電流經(jīng)過傳感器以產(chǎn)生電壓。如何選擇電流/電壓？
• 具體設(shè)計的最佳選擇是2線式、3線式還是4線式？
• RTD信號應(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？對系統(tǒng)整體性能有何影響？
• 設(shè)計的預(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準化曲線和容差構(gòu)建。最常見的標準化曲線是DIN曲線。DIN代表“Deutsches InsTItut für Normung”，意思是“德國標準化研究所”。曲線定義了鉑100Ω傳感器的阻值與溫度的關(guān)系、標準化容差和工作溫度范圍。其定義的RTD精度從0°C時100Ω的基本電阻開始。DIN RTD有不同的標準容差分類。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，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溫度的溫度都會有更寬的容差和更低的精度。

RTD按照0°C時的標稱電阻來分類。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方程提供了更準確的轉(zhuǎn)換。

溫度t ≤ 0°C時，公式為：

溫度t ≥ 0°C時，公式為：

其中：

t為RTD溫度（°C）

RRTD（t）為RTD在溫度（t）時的電阻

R0為RTD在0°C時的電阻（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時需要考慮的另一個傳感器參數(shù)是其接線配置，這會影響系統(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)點和缺點，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精度的影響。

3線配置使用三個引腳，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)計中很有用（僅需要3個連接端子，而4線RTD需要4線端子）。相對于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技術(shù)來補償，本文稍后會介紹這些技術(shù)。

4線是最昂貴但最準確的配置。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調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和校準。RTD測量系統(tǒng)的典型設(shè)計由不同電路級組成，如圖2所示。雖然信號鏈看起來很簡單，但其中涉及到幾個復(fù)雜因素，設(shè)計人員必須考慮復(fù)雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和模擬信號調(diào)理挑戰(zhàn)。由于相關(guān)模塊數(shù)量較多，上述因素會影響整體系統(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)計人員簡化設(shè)計，減小電路板尺寸，縮短產(chǎn)品上市時間，并降低整個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)計及注意事項。

Σ-Δ型ADC

當設(shè)計RTD系統(tǒng)時，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)點包括：

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

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

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

此類ADC顯著簡化了RTD設(shè)計，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)品上市時間。

對于本文，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、激勵電流、模擬輸入和基準電壓緩沖器。

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)的合適且高性價比的解決方案。采用比率式方法，基準電壓和傳感器電壓從同一激勵源獲得。因此，激勵源不需要很精確。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測量的基準電壓。激勵電流的任何變化都不會影響測量的精度。因此，采用比率式方法時，允許使用噪聲較大且不那么穩(wěn)定的激勵電流。激勵電流具有更好的抗擾度，優(yōu)于電壓激勵。本文稍后會討論選擇激勵源值時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)計人員使用集成多路復(fù)用器和激勵電流的Σ-Δ型ADC，以支持多通道測量和靈活地將激勵電流連接到各傳感器。AD7124等ADC允許單個引腳同時用作激勵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3線RTD傳感器只需要兩個引腳，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，通常建議為每個激勵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被系統(tǒng)本身消除。4線配置只需要一個激勵電流IOUT，如圖5所示。來自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，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用于檢測RTD上的電壓。

當設(shè)計使用多個4線RTD時，可以使用單個激勵電流源，并將激勵電流導(dǎo)向系統(tǒng)中的不同RTD。將基準電阻放在RTD的低端，單個基準電阻便可支持所有RTD測量。也就是說，該基準電阻由所有RTD共享。請注意，如果ADC的基準輸入具有寬共模范圍，則基準電阻可以放在高端或低端。因此，對于單個4線RTD，可以使用高端或低端上的基準電阻。但是，當系統(tǒng)中使用多個4線RTD時，將基準電阻放在低端是有利的，因為一個基準電阻可以由所有RTD共享。請注意，某些ADC內(nèi)置基準電壓緩沖器。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大的濾波連接到基準引腳而不會引起誤差，例如ADC內(nèi)的增益錯誤。