三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響（下）

這篇文章將討論兩種可消除勵磁電流失配和失配漂移影響的方法。第一種方法是把內(nèi)部多路復(fù)用器用于大多數(shù)集成式解決方案的軟件方法。第二種方法是更改電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的硬件方法。

切斷勵磁電流源

一種用來減少勵磁電流失配所致誤差的技術(shù)是讓兩個輸入端之間的電流流動路線交替變化。這通常被稱為“斬波”。把勵磁電流注入到RTD電路，然后對它們進(jìn)行交換，同時獲取每種設(shè)置下的讀數(shù)。兩個讀數(shù)的平均值將不受兩種勵磁電流之間失配的影響。在大多數(shù)集成式解決方案中，可用內(nèi)置多路復(fù)用器讓到兩個輸出端的勵磁電流流動路線交替變化來實現(xiàn)這一目的。圖1展示了如何在該電路中切斷勵磁電流。

圖1：切斷勵磁電流

當(dāng)勵磁電流被交換時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須等待，直到輸入信號穩(wěn)定，以便進(jìn)行有效的測量。趨穩(wěn)時間基于所選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及已被安裝啟用的任何外部濾波器。切換多路復(fù)用器并等待獲取讀數(shù)會給測量系統(tǒng)增加延遲，這在一些應(yīng)用中可能是不受歡迎的。隨著計時變得越來越復(fù)雜，把平均結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)所需的數(shù)字處理算法也變得日趨繁瑣。

具有高側(cè)參考的三線RTD測量系統(tǒng)

一種可切斷勵磁電流的更有效替代方法是將參考電阻器放置在RTD傳感器的高側(cè)(圖2)。在該配置中，僅有一種勵磁電流既流過參考電阻器也流過RTD。第二種勵磁電流只用于三線RTD引線電阻抵消。因為僅有一種勵磁電流會產(chǎn)生參考電壓和輸入電壓，所以電流源失配和失配漂移將不再影響ADC傳遞函數(shù)。任何失配誤差只能影響RTD引線抵消的有效性，這與原來的電路沒有什么不同。

圖2：高側(cè)參考電阻器配置

高側(cè)參考電路配置

通過將低側(cè)參考電阻器移動到RTD的高側(cè)，全新的配置會帶來一些附加的設(shè)計挑戰(zhàn)。首先，從RTD到接地必須連接一個附加電阻器RBIAS。跨RBIAS的電壓VBIAS將在ADC的線性輸入共模電壓范圍內(nèi)改變RTD電壓。實現(xiàn)這一目標(biāo)的同時必須使電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)輸出端的電壓低于其順從電壓(compliance voltage)額定值。

方程式(1)詮釋了適用于圖2中電路的輸入共模電壓V_CM。

適用于可編程增益放大器(PGA)的輸入共模電壓必須保持在產(chǎn)品說明書簡要規(guī)定的范圍之內(nèi)。方程式(2)展示了最小共模電壓VCM MIN的兩個極限值。請使用V_{CM MIN}這兩個值中較大的一個。方程式(3)詮釋了最大共模電壓V_{CM MAX}。

在IDAC輸出端的電壓不得超過順從電壓，否則它們將無法正常發(fā)揮作用。方程式(4)詮釋了IDAC的順從電壓。

在這種電路配置中，最大IDAC輸出電壓在IDAC1處，用V_{IDAC1 MAX}表示。用方程式(5)可計算出V_IDAC1處的這種電壓。

基于3.3V電源，表1展示了最小和最大共模電壓以及IDAC順從電壓的值。

表1：使用+3.3V電源時的共模和IDAC順從電壓極限值

在高側(cè)參考配置中，IDAC輸出端的電壓會提高，因為添加了R_BIAS —— 這會降低可用余量。為了滿足IDAC電壓順度要求，可能需要通過調(diào)節(jié)IDAC電流或電阻器值來降低參考或偏置電壓。反過來，不同的IDAC電流可能需要調(diào)整PGA增益來保持系統(tǒng)分辨率。

憑借所推薦的高側(cè)參考解決方案，滿足輸入共模和IDAC順從電壓極限值要求仍然是切實可行的。首先，選擇超過V_{CM MIN}的偏置電壓。這可最大限度地提高余量，以符合IDAC順從電壓要求。然后，基于最大RTD電壓選擇參考電壓和PGA增益設(shè)置，旨在最大限度地提高系統(tǒng)分辨率。

表2為使用+3.3V電源合理優(yōu)化的高側(cè)參考電路列出了電路值，也列出了該電路中的V_{CM MIN}和V_{CM MAX}電壓以及V_{IDAC1 MAX}電壓。請注意，最大ADC輸入電壓可充分利用大部分的V_REF電壓范圍，同時確保不違反表1所列共模和IDAC順從電壓極限值規(guī)定。

表2：適用于高側(cè)參考電路的電路參數(shù)

高側(cè)參考電路總誤差

我們分析了由ADC和RREF產(chǎn)生的誤差。雖然方程式和誤差源保持不變，但輸入相關(guān)電壓誤差將基于電路中新選擇的IDAC電流和組件值而改變。表3匯總了誤差源，并為25℃下的高側(cè)參考電路計算出了總或然誤差。如圖所示，可消除來自IDAC失配的誤差。使用方程式(6)能計算出總誤差。

表3：總誤差(T_A = 25°C)。

總輸入相關(guān)電壓誤差可再次被轉(zhuǎn)換為溫度誤差。

消除勵磁電流失配誤差的舉措能使未校準(zhǔn)溫度誤差減少67% —— 而在原來的低側(cè)參考配置中計算出的溫度誤差是1.589℃。

高側(cè)參考電路漂移誤差

表4列出了ADS1220在系統(tǒng)工作溫度范圍(TA = -40°C至+85°C)內(nèi)的溫度漂移誤差。如圖所示，采用高側(cè)參考配置也可消除由IDAC失配漂移產(chǎn)生的誤差。

表4：系統(tǒng)工作溫度范圍(-40°C至+85°C)內(nèi)的溫度漂移誤差

消除IDAC失配所致誤差的舉措可顯著降低輸入相關(guān)漂移誤差(原來是119.6μV，降低后僅有18.2μV)。目前，在-40°C至85°C的溫度范圍內(nèi)，總漂移誤差只會另產(chǎn)生±0.062°C的溫度誤差;而在低側(cè)參考電路中總漂移誤差會另產(chǎn)生±0.306°C的溫度誤差。消除來自勵磁電流失配的誤差可減少對過溫校準(zhǔn)的需要或要求。

總結(jié)

在標(biāo)準(zhǔn)比例型三線RTD測量電路中，無論是在室溫下還是在工作溫度范圍內(nèi)，勵磁電流失配通常都是最大的誤差源。切斷勵磁電流法是一種可在傳統(tǒng)低側(cè)參考比例型RTD采集電路中減少勵磁電流失配影響的簡單方法。而將該電路改成高側(cè)參考配置的舉方法既能消除勵磁電流失配和電流失配漂移的影響，同時又能實現(xiàn)零測量延遲并讓附加組件數(shù)變得最少。只要符合輸入共模電壓和勵磁電流順從電壓極限值規(guī)定，高側(cè)配置還可用于低電源電壓。

這篇文章重點介紹了兩種可減少或消除IDAC失配所致誤差的解決方案。說明了如何將該電路重新配置成高側(cè)參考電路，以便只用一個附加組件就能完全消除勵磁電流失配和失配漂移的影響。