優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng)：接線方式

本系列文章分為三部分，討論了基于電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 的溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在第一部分中，我們介紹了溫度測(cè)量挑戰(zhàn)、RTD 類型、不同配置以及 RTD 配置電路。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(jì)人員面臨的唯一問(wèn)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，導(dǎo)線引起的誤差由返回線固有地消除。4 線配置使用開(kāi)爾文感應(yīng)，兩根導(dǎo)線將激勵(lì)電流傳送到 RTD 和從 RTD 傳送，而其余兩根導(dǎo)線感應(yīng) RTD 元件本身的電流。導(dǎo)線電阻引起的誤差固有地被消除。4 線配置只需要一個(gè)激勵(lì)電流 IOUT。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)，用于感應(yīng) RTD 兩端的電壓。

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。通過(guò)將參考電阻放置在 RTD 的低壓側(cè)，單個(gè)參考電阻可以支持所有 RTD 測(cè)量;也就是說(shuō)，參考電阻由所有 RTD 共享。請(qǐng)注意，如果 ADC 的參考輸入具有寬共模范圍，則可以將參考電阻放置在高壓側(cè)或低壓側(cè)。因此，對(duì)于單個(gè) 4 線 RTD，可以使用高壓側(cè)或低壓側(cè)的參考電阻。但是，當(dāng)在系統(tǒng)中使用多個(gè) 4 線 RTD 時(shí)，將參考電阻放置在低壓側(cè)是有利的，因?yàn)橐粋€(gè)參考電阻可以由所有 RTD 共享。請(qǐng)注意，一些 ADC 包括參考緩沖器。這些緩沖器可能需要一些余量，因此，如果啟用了緩沖器，則需要一個(gè)余量電阻。啟用緩沖器意味著可以將更強(qiáng)大的濾波功能連接到參考引腳，而不會(huì)導(dǎo)致諸如 ADC 內(nèi)的增益誤差之類的誤差。

2 線 RTD 連接圖

2 線 RTD 配置是最簡(jiǎn)單的配置，對(duì)于 2 線配置，只需要一個(gè)激勵(lì)電流源。因此，ADC 的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè) 2 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)，用于感測(cè) RTD 兩端的電壓。當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè) 2 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。通過(guò)按照 4 線配置將參考電阻放置在 RTD 的低壓側(cè)，單個(gè)參考電阻可以支持所有 RTD 測(cè)量;也就是說(shuō)，參考電阻由所有 RTD 共享。

2 線配置是三種不同接線配置中精度最低的一種，因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)的實(shí)際電阻包括傳感器和引線 RL1 和 RL2 的電阻，因此會(huì)增加 ADC 兩端的電壓測(cè)量值。如果傳感器位于遠(yuǎn)端，且系統(tǒng)使用非常長(zhǎng)的導(dǎo)線，則誤差會(huì)非常大。例如，25 英尺長(zhǎng)的 24 AWG 銅線的等效電阻為 0.026 Ω/英尺 (0.08 Ω/米) × 2 × 25 英尺 = 1.3 Ω。因此，1.3 Ω 導(dǎo)線電阻會(huì)因?qū)Ь€電阻而產(chǎn)生 (1.3/0.385) = 3.38°C (大約) 的誤差。導(dǎo)線電阻也會(huì)隨溫度變化而變化，這會(huì)增加額外的誤差。

3 線 RTD 連接圖

通過(guò)使用 3 線 RTD 配置，可以顯著改善 2 線 RTD 配置中由于引線電阻而產(chǎn)生的顯著誤差。在本文中，我們使用第二個(gè)激勵(lì)電流來(lái)消除 RL1 和 RL2 產(chǎn)生的引線電阻誤差。因此，ADC 的四個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè) 3 線 RTD 配置：兩個(gè)引腳用于激勵(lì)電流(IOUT0 和 IOUT1)，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道(AINP 和 AINM)，用于感測(cè) RTD 兩端的電壓。

有兩種方法可以配置 3 線 RTD 電路。方法 1 將參考電阻放在頂部，這樣第一個(gè)激勵(lì)電流 IOUT0 流向 R REF，然后流向 RL1 ，再流向 RTD ，第二個(gè)電流流過(guò) RL2 引線電阻并產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓抵消了 RL1 引線電阻上的壓降。因此，匹配良好的激勵(lì)電流可以完全消除引線電阻引起的誤差。如果激勵(lì)電流存在一些不匹配，則使用此配置可以將不匹配的影響降到最低。相同的電流流向 RTD 和 R REF;因此，兩個(gè) IOUT 之間的任何不匹配都只會(huì)影響引線電阻計(jì)算。此配置在測(cè)量單個(gè) RTD 時(shí)很有用。

測(cè)量多個(gè) 3 線 RTD 時(shí)，建議在底部使用參考電阻(方法 2)，這樣只需使用一個(gè)參考電阻，即可將總成本降至最低。但是，在這種配置中，一個(gè)電流流過(guò) RTD，而兩個(gè)電流都流過(guò)參考電阻。因此，IOUT 中的任何不匹配都會(huì)影響參考電壓的值以及引線電阻抵消。當(dāng)存在激勵(lì)電流不匹配時(shí)，此配置的誤差將大于方法 1。有兩種可能的方法來(lái)校準(zhǔn) IOUT 之間的不匹配和不匹配漂移，從而提高第二種配置的準(zhǔn)確性。第一種是通過(guò)斬波(交換)激勵(lì)電流進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)相位進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)兩個(gè)測(cè)量值取平均值。另一種解決方案是測(cè)量實(shí)際激勵(lì)電流本身，然后使用計(jì)算出的不匹配來(lái)補(bǔ)償微控制器中的不匹配。