簡單實現(xiàn)完全集成的4線RTD溫度測量系統(tǒng)，適用于高精度測量應(yīng)用

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)。溫度通常通過與傳感器的直接接觸來測量，例如，通過將傳感器浸入液體中或通過與機(jī)器表面接觸來測量。除熱敏電阻和熱電偶外，電阻溫度檢測器（RTD）還特別適合，因為它們具有快速響應(yīng)時間和高達(dá)幾百μV/°C的出色靈敏度。 它們還可用于在–200°C至+800°C的極寬范圍內(nèi)進(jìn)行測量，具有近乎線性的行為。RTD 有多種版本可供選擇，例如 2、3 或 4 線，提供高度的應(yīng)用靈活性。

為了產(chǎn)生測量電壓，RTD需要一個激勵電流。根據(jù)RTD類型的不同，電壓電平從幾十到幾百毫伏不等。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比較如圖1所示。

圖1.2線、3線和4線測量值的比較。

在2線測量電路中，為RTD提供激勵電流（I）的兩根線也用于測量傳感器電壓。由于傳感器電阻低，即使是相對較低的導(dǎo)線電阻RL也會產(chǎn)生相對較高的測量誤差。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設(shè)備輸入端上，因此可以將該誤差降至最低。

不幸的是，由于RTD兩端的壓降很低，信號很容易產(chǎn)生噪聲。因此，應(yīng)盡可能避免使用長測量線。通過放大盡可能靠近信號源或RTD的電壓，可以降低噪聲。此外，應(yīng)使用具有良好信噪比（SNR）的靈敏模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。Σ-Δ型ADC（如ADI公司的AD7124系列）提供完全集成的24位低噪聲模擬前端（AFE），非常適合高精度測量應(yīng)用。輸入可選擇性地配置為差分或單端/偽差分輸入。AD7124系列還集成數(shù)字濾波器和可編程放大器級，非常適合低壓應(yīng)用。圖2所示電路顯示了使用AD7124的4線測量配置示例。

圖2.采用AD7124的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，用于測量RTD電壓。RTD的激勵電流在內(nèi)部從模擬電源電壓AVDD汲取，并通過AIN0供電。激勵電流同時流過基準(zhǔn)電阻R。參考文獻(xiàn)1，用作精密電阻器，引起壓降，然后通過參考引腳 REFIN1（+） 和 REFIN1（–） 檢測。產(chǎn)生的壓降與RTD兩端的壓降成正比。這種比率式配置可確保激勵電流的變化不會影響整體系統(tǒng)精度。R參考文獻(xiàn)2由于ADC的有源內(nèi)部模擬緩沖器，產(chǎn)生正常工作所需的失調(diào)電壓。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，需要緩沖器對讀數(shù)進(jìn)行濾波，從而提供抗混疊和降低噪聲?；蛘?，也可以將所有模擬輸入和參考輸入與分立RC濾波器連接。使用AD7124，在開始測量之前，校準(zhǔn)測量系統(tǒng)（零量程和滿量程校準(zhǔn)）以最小化增益和失調(diào)誤差也很容易。

結(jié)論

使用AD7124系列等AFE，RTD溫度測量系統(tǒng)可以相對容易地實現(xiàn)。它們提供了高精度、低功耗和低噪聲的良好組合，適用于高精度測量應(yīng)用和節(jié)能便攜式設(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。

審核編輯：郭婷