示例集成比例式三線RTD測量系統(tǒng)分析

在第 1 部分中，我們介紹了三線 RTD、引線電阻消除以及設(shè)計比例式三線 RTD 系統(tǒng)的好處。我們表明，雖然比率 RTD 配置消除了激勵電流初始精度的誤差，但兩個激勵電流之間的不匹配仍然會導(dǎo)致增益誤差。

在第 2 部分中，我們對示例集成比例式三線 RTD 測量系統(tǒng)進行了分析，以了解誤差源，包括激勵電流失配的影響。

集成 RTD 測量電路

典型的集成 RTD 測量解決方案包括激勵電流、增益級、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和其他有用的功能，例如傳感器開路檢測。與分立系統(tǒng)相比，這些解決方案大大簡化了設(shè)計，同時實現(xiàn)了高精度。

ADS1220是具有 24 位 delta-sigma ADC 的現(xiàn)代集成解決方案的一個示例，該解決方案包含多種功能以促進溫度測量應(yīng)用的設(shè)計。在這個集成解決方案中，激勵電流由電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 控制，也稱為集成 DAC （IDAC）。包含一個多路復(fù)用器，以便更輕松地將 IDAC 路由到電阻溫度檢測器 RTD 電路。最后，使用可編程增益放大器 （PGA） 來提高 RTD 系統(tǒng)的電壓分辨率。圖 1 顯示了使用集成 ADC 解決方案的簡化電路原理圖。

圖 1：集成比例式三線 RTD 測量電路。

RTD 測量系統(tǒng)中的誤差源

無論解決方案是集成的還是離散構(gòu)建的，三線比率 RTD 測量電路中的誤差源都是相同的。如第 1 部分所示，在比率測量中消除了勵磁電流幅度的誤差。然而，由于兩個激勵電流的初始失配和溫度漂移導(dǎo)致的誤差會導(dǎo)致增益誤差。來自輸入增益級、ADC 和 R REF容差的誤差也會導(dǎo)致最終測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。這些誤差在最終測量結(jié)果中顯示為偏移、增益或線性誤差。

表 1 列出了影響 RTD 測量的 ADC 誤差源。

表格1：

由于 ADC 的輸入是電壓，因此積分非線性 （INL）、增益誤差和 IDAC 失配誤差也必須轉(zhuǎn)換為輸入?yún)⒖茧妷骸１?2 和表 3 中定義了一個示例系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于計算誤差作為輸入?yún)⒖茧妷?。選擇電路值超出了這些文章的范圍，但在 TI 的參考設(shè)計TIPD120中有詳細描述。

表 2： Pt100 規(guī)格示例。

表 3： TIPD120 的比例電路配置。

使用表 3 中的示例電路配置，現(xiàn)在誤差源可以參考輸入，并與最大 RTD 電壓（0.39048 V）進行比較。

PGA 產(chǎn)生一個輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓誤差，可直接用于總誤差計算。

增益誤差指定為滿量程范圍的百分比，也稱為 %FSR。輸入?yún)⒖茧妷赫`差可以通過將增益誤差乘以最大 RTD 輸入電壓來計算，公式 （2）。

INL 以 ADC 滿量程范圍的百萬分率 （ppm） 為單位。INL 不是增益誤差。因此，它必須乘以 ADC 的滿量程輸入電壓，而不是最大 RTD 電壓。此配置中的滿量程輸入在等式 （3） 中給出，輸入?yún)⒖?INL 誤差在等式 （4） 中計算。

IDAC 不匹配在 %FSR 中指定。因此，可以使用第 1 部分中的公式 （15） 計算增益誤差和由此產(chǎn)生的輸入?yún)⒖茧妷赫`差。公式 （5） 和 （6） 中顯示了這一點。

來自 R REF容差的誤差

最后一個重要的誤差源是 R REF的容差，它會在 ADC 傳遞函數(shù)中產(chǎn)生增益誤差?？梢允褂门c計算 IDAC 失配增益誤差相同的方法來計算由 R REF引起的增益誤差。最終結(jié)果如等式（7）所示。

假設(shè) R REF容差指定為 0.05%，則增益誤差的計算如公式 （8） 所示。輸入?yún)⒖颊`差在等式 （9） 中計算。

室溫下的總誤差 （T A = 25 °C）

表 4 列出了該比例式三線 RTD 系統(tǒng)在 25 °C 環(huán)境溫度 （T A ） 下的所有誤差摘要?？梢允褂幂斎?yún)⒖颊`差電壓的平方根 （RSS） 來計算可能的最大誤差。IDAC 失配占可能的總誤差的大約 95%。

總誤差在等式 （10） 中計算。

表 4：所有錯誤的總結(jié)。

等式 （11） 和 （12） 顯示了如何將表 4 中的總電壓誤差轉(zhuǎn)換為歐姆，并最終轉(zhuǎn)換為攝氏度。使用 IEC-60751 定義的 Pt100 RTD 的靈敏度 α 將歐姆誤差轉(zhuǎn)換為溫度。

漂移誤差（T A = -40 °C 至 85 °C）

如第 1 部分所述，標(biāo)準(zhǔn)室溫校準(zhǔn)技術(shù)可用于消除系統(tǒng)的增益和偏移誤差，只留下線性誤差。但是，除非執(zhí)行過溫校準(zhǔn)，否則溫度漂移規(guī)格仍然會導(dǎo)致錯誤。

表 5 顯示了 ADC 溫度漂移規(guī)范。IDAC 電流的溫度漂移是隨溫度變化的最大誤差源。IDAC 失配漂移可以通過我們將在第 3 部分中介紹的技術(shù)消除。但是，除非執(zhí)行過溫校準(zhǔn)，否則失調(diào)和增益誤差漂移仍然存在。

表 5： -40 °C 至 85 °C 溫度跨度的所有溫度漂移誤差匯總。

在系統(tǒng)的 -40 °C 至 85 °C 工作溫度范圍內(nèi)，總漂移誤差會導(dǎo)致額外的 ±0.306 °C 溫度誤差，這主要是由于 IDAC 失配漂移所致。

概括

在第 2 部分中，我們根據(jù) ADC 的規(guī)格和外部組件分析了示例比例式三線 RTD 測量系統(tǒng)的誤差。雖然比率系統(tǒng)從 IDAC 源的絕對值中消除誤差，但 IDAC 之間的任何失配和失配漂移都會導(dǎo)致錯誤。在許多情況下，如此處所示，IDAC 失配是最大的誤差源。此外，IDAC 失配漂移是造成過熱誤差的最大因素。

在第 3 部分中，我們將討論減少或消除由 IDAC 失配和失配漂移引起的誤差的選項，只留下 ADC 的增益誤差、失調(diào)電壓和 INL 誤差。

作者：Collin Wells ，Ryan Andrews

審核編輯：郭婷