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用的設計。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致的誤差會導致增益誤差。來自輸入增益級、ADC 和 R REF容差的誤差也會導致最終測量結(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?。?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茧妷骸＿x擇電路值超出了這些文章的范圍，但在 TI 的參考設計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 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，標準室溫校準技術(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，否則溫度漂移規(guī)格仍然會導致錯誤。

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，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。

審核編輯：郭婷