RTD比率式溫度測(cè)量的模擬前端設(shè)計(jì)考慮

在溫度測(cè)量領(lǐng)域，電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)與Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的結(jié)合使用已經(jīng)成為一種常見且高效的解決方案。然而，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在實(shí)際應(yīng)用中面臨一個(gè)共同難題：如何在ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的高性能標(biāo)準(zhǔn)下，實(shí)現(xiàn)精確的RTD溫度測(cè)量。本文將從RTD比率式溫度測(cè)量的基本原理出發(fā)，詳細(xì)探討模擬前端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素，以期幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲的溫度測(cè)量系統(tǒng)。

一、RTD比率式溫度測(cè)量的基本原理

RTD是一種基于電阻值隨溫度變化而變化的溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于需要高精度溫度測(cè)量的場合。在比率式測(cè)量中，RTD的電阻值與一個(gè)已知且穩(wěn)定的參考電阻(RREF)進(jìn)行比較，通過測(cè)量兩者之間的電阻比來計(jì)算溫度。這種測(cè)量方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠消除激勵(lì)電流源的精度和漂移等誤差源，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

二、模擬前端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素

1. ADC的選擇

選擇適合的ADC是實(shí)現(xiàn)高精度RTD測(cè)量的基礎(chǔ)。Σ-Δ型ADC以其高精度、低噪聲和出色的線性度在溫度測(cè)量中廣受歡迎。然而，不同型號(hào)的ADC在性能上存在差異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的ADC。例如，ADI公司的AD7124-4/8系列ADC集成了多種可編程匹配激勵(lì)電流、模擬輸入緩沖器、可編程增益放大器(PGA)等特性，非常適合于RTD溫度測(cè)量。

2. RTD配置

在RTD比率式測(cè)量中，4線制配置因其能夠消除由引腳電阻產(chǎn)生的誤差而備受青睞。典型的4線RTD比率式測(cè)量電路如圖1所示。通過合理設(shè)計(jì)電路中的電阻和電容值，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

3. 低通濾波器設(shè)計(jì)

為了抑制高頻噪聲和干擾，通常需要在模擬輸入和基準(zhǔn)電壓源引腳前添加低通濾波器。如圖2所示，R1、R2、C1、C2和C3共同構(gòu)成了一階低通RC濾波器，為差分和共模電壓信號(hào)提供衰減。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，需要選擇合適的電阻和電容值，以確保濾波器具有適當(dāng)?shù)慕刂诡l率和噪聲抑制能力。同時(shí)，為了確保模擬輸入電壓與基準(zhǔn)電壓保持成比例，建議在AIN和基準(zhǔn)電壓源引腳前使用相同的電阻和電容值。

4. 過電壓保護(hù)

除了作為低通濾波器的一部分外，R1和R2還可以提供過電壓保護(hù)。例如，在圖6所示的電路中，如果在AD7124-4的AIN引腳前使用3kΩ電阻，則最高可保護(hù)30V的接線錯(cuò)誤。然而，不建議使用更大的電阻值，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生更多的熱噪聲，并且AIN引腳的輸入電流將流過這些電阻并引入誤差。

5. 噪聲優(yōu)化

噪聲是影響溫度測(cè)量精度的另一個(gè)重要因素。為了降低噪聲水平，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)選擇電阻和電容值，并考慮其匹配性。表1列出了在模擬和參考輸入路徑前具有匹配和不匹配濾波器時(shí)的噪聲水平。從表中可以看出，使用匹配的模擬前端電路可以顯著降低噪聲水平，從而提高ADC的無噪聲位數(shù)。

6. 激勵(lì)電流源的選擇

激勵(lì)電流源的精度和穩(wěn)定性對(duì)RTD測(cè)量的準(zhǔn)確性有重要影響。ADI公司的AD7124-4/8系列ADC提供了6種可編程匹配激勵(lì)電流，從50μA到1mA不等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體需求選擇合適的激勵(lì)電流，以平衡測(cè)量精度和功耗。

三、案例分析

以ADI公司的CN-0381電路筆記為例，該電路采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC AD7124，實(shí)現(xiàn)了全集成式4線RTD測(cè)量系統(tǒng)。在?50℃至+200℃的溫度范圍內(nèi)，通過兩點(diǎn)校準(zhǔn)和線性化，3線系統(tǒng)的整體精度優(yōu)于±1℃。在全功率模式下，選擇sinc4濾波器，輸出數(shù)據(jù)速率為50SPS時(shí)，系統(tǒng)的典型無噪聲碼分辨率為17.9位;在低功耗模式下，選擇后置濾波器，輸出數(shù)據(jù)速率為25SPS時(shí)，系統(tǒng)的典型無噪聲碼分辨率為16.8位。

四、結(jié)論

RTD比率式溫度測(cè)量的模擬前端設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過程，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員綜合考慮ADC的選擇、RTD配置、低通濾波器設(shè)計(jì)、過電壓保護(hù)、噪聲優(yōu)化以及激勵(lì)電流源的選擇等多個(gè)因素。通過合理設(shè)計(jì)模擬前端電路，并選擇合適的元件和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲的RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的元件和算法不斷涌現(xiàn)，為RTD溫度測(cè)量的進(jìn)一步優(yōu)化提供了更多可能性。