適合高精度測量應(yīng)用的完全集成式4線RTD溫度測量系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)

對于各種各樣的產(chǎn)品，制造過程需要高度精確和可靠的溫度測量技術(shù)。通常通過與傳感器直接接觸來測量溫度，例如通過將傳感器浸入到液體中或通過與機器的表面接觸來測量溫度。除熱敏電阻和熱電偶之外，由于其快速響應(yīng)時間和高達幾百μV/°C的出色靈敏度，電阻溫度檢測器(RTD)尤其適用。它們也可用于–200°C至+800°C超寬范圍內(nèi)的測量，且具有近線性行為。RTD提供多種版本，例如2線、3線或4線版本，且具有高度應(yīng)用靈活性。

為了產(chǎn)生測量電壓，RTD需要激勵電流。根據(jù)RTD類型，電壓電平從幾十到幾百mV不等。測量系統(tǒng)的精度不僅取決于溫度傳感器，還取決于選擇合適的測量儀器、系統(tǒng)配置以及測量電路類型。根據(jù)導(dǎo)線數(shù)量，RTD傳感器可用于2線、3線或4線測量電路。這些不同測量電路的對比如圖1所示。

在2線測量電路中，為RTD提供激勵電流(I)的兩根導(dǎo)線也用于測量傳感器電壓。由于傳感器電阻很低，即使是較低的導(dǎo)線電阻，RL也會產(chǎn)生相對較高的測量不精確性。在3線或4線測量系統(tǒng)中，由于傳感器激勵通過單獨的導(dǎo)線發(fā)生，并且傳感器的測量導(dǎo)線直接放置在通常具有高阻抗的測量器件輸入端上，可最大限度降低此誤差。

遺憾的是，由于RTD上的壓降較低，信號非常容易受到噪聲的影響。因此，應(yīng)盡可能避免使用較長的測量導(dǎo)線?？赏ㄟ^將電壓放大盡可能靠近信號源或RTD來降低噪聲。此外，具有良好信噪比(SNR)的敏感型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)適用于進一步的數(shù)據(jù)處理。ADI公司的∑-ΔADC，如AD7124系列，提供一款完成集成的

24位、低噪聲模擬前端(AFE)，非常適合高精度測量應(yīng)用。輸入可以選擇性地配置為差分輸入或單端/偽差分輸入。AD7124系列還集成了數(shù)字濾波器和可編程放大器級，使其非常適合低壓應(yīng)用。圖2所示電路為使用AD7124的4線測量配置示例。

圖1.2線、3線和4線測量對比

圖2.使用AD7124進行4線RTD溫度測量配置

AD7124上的模擬引腳AIN2和AIN3配置為差分輸入且用于測量RTD電壓。RTD激勵電流從模擬電源電壓AVDD汲取，并通過AIN0提供。激勵電流同時流過基準(zhǔn)電阻RREF1，作為精密電阻工作，然后會導(dǎo)致通過基準(zhǔn)引腳REFIN1(+)和REFIN1(–)檢測到的壓降。所造成的壓降與RTD上的壓降成正比。此比率式配置確保激勵電流的變化對系統(tǒng)總體精度沒有影響。由于ADC的有源內(nèi)部模擬緩沖器，RREF2會產(chǎn)生正常運行所需的失調(diào)電壓。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，需要緩沖器對讀數(shù)進行濾波，從而提供抗混疊特性并降低噪聲?；蛘?，也可以將所有模擬輸入和基準(zhǔn)輸入與分立RC濾波器相連。在使用AD7124開始簡單測量之前，校準(zhǔn)測量系統(tǒng)(零電平和滿量程校準(zhǔn))可最大限度降低增益和偏置誤差。

結(jié)論

通過AD7124系列等AFE，可以相對輕松地實現(xiàn)RTD溫度測量系統(tǒng)。它們提供非常好的高精度、低功耗和低噪聲組合，適用于高精度測量應(yīng)用和節(jié)能型便攜式設(shè)備。此外，這些ADC的集成度和靈活性簡化了設(shè)計架構(gòu)，有助于縮短使用不同類型傳感器的測量應(yīng)用(例如，溫度、電流、電壓等)的設(shè)計周期。