RTD溫度測量為什麼很重要
？

 

溫度測量在很多不同的終端應用中發揮著重要作用，例如工業自動化、儀器儀表、狀態監控(CbM)和he醫yi療liao設she備bei。不bu管guan監jian控kong環huan境jing條tiao件jian或huo校xiao正zheng係xi統tong的de漂piao移yi性xing能neng如ru何he
，高gao準zhun確que度du和he高gao精jing度du都dou非fei常chang重zhong要yao。有you多duo種zhong類lei型xing的de溫wen度du傳chuan感gan器qi可ke以yi使shi用yong
，例li如ru熱re電dian偶ou
、電阻溫度檢測器(RTD)
、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。具體選擇何種溫度傳感器及如何設計，取決於所測量的溫度範圍和所需的精度。對於-200°C至+850°C之間的溫度，RTD可提供高精度和良好穩定性的出色特性組合。

 

溫度測量的主要挑戰有哪些？

 

挑戰包括：

 

●    電流和電壓選擇。RTDchuanganqishiwuyuanqijian
，buhuizixingchanshengdianqishuchu。shiyongjilidianliuhuodianyalaiceliangchuanganqidedianzu，jirangyigexiaodianliujingguochuanganqiyichanshengdianya。ruhexuanzedianliu/電壓？

●    具體設計的最佳選擇是2線式
、3線式還是4線式？

●    RTD信號應如何調理？

●    如何調整上述變量

，以便在規格範圍內使用轉換器或其他構建模塊
？

●    在係統中連接多個RTD——如何連接傳感器
？不同傳感器之間是否能共享一些模塊
？對係統整體性能有何影響
？

●    設計的預期誤差是多少
？

 

RTD選型指南

 

RTD概述

 

RTD傳感器的阻值是以某種精確定義的方式隨溫度變化的函數。最廣泛使用的RTD是鉑Pt100和Pt1000
，其提供2線
、3線和4線配置。其他RTD類型由鎳和銅製成。

 

表1.常見RTD類型

 

 

最常見的Pt100 RTD有兩種形狀：線繞和薄膜。每種類型都按照若幹標準化曲線和容差構建。最常見的標準化曲線是DIN曲線。DIN代表"Deutsches Institut für Normung"
，意思是"德國標準化研究所"。曲線定義了鉑100Ω傳感器的阻值與溫度的關係、標準化容差和工作溫度範圍。其定義的RTD精度從0°C時100Ω的基本電阻開始。DIN RTD有不同的標準容差分類。這些容差顯示在表2中，它們也適用於低功耗應用中使用的Pt1000 RTD。

 

表2.RTD精度—A類、B類、1/3 DIN

 

選擇RTD傳感器時
，RTD本身及其精度都要考慮。溫度範圍隨元件類型而變化，以校準溫度（通常在0°C）xianshidejingdusuiwenduerbianhua。yinci，bixudingyisuoceliangdewendufanwei，bingyaokaolvdaorenhediyuhuogaoyuxiaozhunwendudewendudouhuiyougengkuanderongchahegengdidejingdu。

 

RTD按照0°C時的標稱電阻來分類。Pt100傳感器的溫度係數約為0.385Ω/℃，Pt1000的溫度係數比Pt100大10倍。許多係統設計人員使用這些係數來獲得近似的電阻到溫度轉換，但Callendar-Van Dusen方程提供了更準確的轉換。

 

溫度t ≤ 0°C時，公式為：

 

 

溫度t ≥ 0°C時，公式為：

 

 

其中：

 

●    t為RTD溫度(°C)

●    RRTD(t)為RTD在溫度(t)時的電阻

●    R0為RTD在0°C時的電阻（本例中R0 = 100 Ω）

●    A = 3.9083 × 10−3

●    B = −5.775 × 10−7

●    C = −4.183 × 10−12

 

RTD接線配置

 

選擇RTD時需要考慮的另一個傳感器參數是其接線配置
，這會影響係統精度。市場上有三種不同的RTD接線配置

，每種配置都有自己的優點和缺點，可能需要采用不同技術來減小測量誤差。

 

2線xian配pei置zhi是shi最zui簡jian單dan但dan精jing度du最zui低di的de配pei置zhi
，原yuan因yin是shi引yin線xian電dian阻zu的de誤wu差cha及ji其qi隨sui溫wen度du的de變bian化hua導dao致zhi了le顯xian著zhu的de測ce量liang誤wu差cha。因yin此ci，這zhe種zhong配pei置zhi僅jin用yong於yu引yin線xian很hen短duan的de應ying用yong或huo使shi用yong高gao電dian阻zu傳chuan感gan器qi（例如Pt1000）的應用，這樣可以最大程度地減小引線電阻對精度的影響。

 

3線配置使用三個引腳，優勢突出，因而是使用最多的配置
，在連接器尺寸最小化的設計中很有用（僅需要3個連接端子，而4線RTD需要4線端子）。相對於2線配置

，3線配置在精度上也有顯著改善。3線配置中的引線電阻誤差可以通過不同的校準技術來補償，本文稍後會介紹這些技術。

 

4線是最昂貴但最準確的配置。這種配置消除了引線電阻及溫度變化效應引起的誤差。因此，4線配置可實現最佳性能。

 

RTD配置電路

 

高精度RTD傳感器測量需要精密信號調理、模數轉換、線性化和校準。RTD測量係統的典型設計由不同電路級組成，如圖2所示。雖然信號鏈看起來很簡單，但其中涉及到幾個複雜因素
，設計人員必須考慮複雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和模擬信號調理挑戰。由於相關模塊數量較多，上述因素會影響整體係統電路板尺寸和物料清單(BOM)成本。但好消息是，ADI公司提供了大量集成式解決方案。該完整的係統解決方案可幫助設計人員簡化設計，減小電路板尺寸，縮短產品上市時間，並降低整個RTD測量係統的成本。

 

圖1.RTD接線配置 

 

圖2.典型RTD測量信號鏈模塊 

 

三種RTD接線配置需要不同的接線技術來將RTD連接到ADC
，另外還要考慮其他外部元件以及ADC的要求，例如激勵電流和靈活的多路複用器。本節將更深入地討論每種RTD配置電路設計及注意事項。

 

Σ-Δ型ADC

 

當設計RTD係統時
，Sigma-Delta（Σ-Δ）型ADC能提供多方麵優勢。首先，Σ-Δ型ADC能夠對模擬輸入過采樣

，從而最大程度地減少外部濾波，隻需要一個簡單的RC濾lv波bo器qi。另ling外wai
，它ta們men支zhi持chi靈ling活huo地di選xuan擇ze濾lv波bo器qi類lei型xing和he輸shu出chu數shu據ju速su率lv。在zai采cai用yong市shi電dian供gong電dian的de設she計ji中zhong，內nei置zhi數shu字zi濾lv波bo可ke用yong來lai抑yi製zhi交jiao流liu電dian源yuan的de幹gan擾rao。24位高分辨率ADC（如 AD7124-4/AD7124-8 ）具有21.7位（最大值）的峰值分辨率。其他優點包括：

 

●    寬共模範圍的模擬輸入

●    寬共模範圍的基準輸入

●    能夠支持比率式配置

●    緩衝基準電壓和模擬輸入

 

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

 

●    可編程增益放大器(PGA)

●    激勵電流

●    基準電壓源/模擬輸入緩衝器

●    校準功能

 

此類ADC顯著簡化了RTD設計，並且減少了BOM，降低了係統成本，縮小了電路板空間，縮短了產品上市時間。

 

對於本文，AD7124-4/AD7124-8用作ADC。這兩款器件是低噪聲、低電流精密ADC，集成了PGA、激勵電流
、模擬輸入和基準電壓緩衝器。

 

比率測量

 

比率式配置是使用RTD或huo熱re敏min電dian阻zu等deng電dian阻zu傳chuan感gan器qi的de係xi統tong的de合he適shi且qie高gao性xing價jia比bi的de解jie決jue方fang案an。采cai用yong比bi率lv式shi方fang法fa，基ji準zhun電dian壓ya和he傳chuan感gan器qi電dian壓ya從cong同tong一yi激ji勵li源yuan獲huo得de。因yin此ci
，激ji勵li源yuan不bu需xu要yao很hen精jing確que。圖tu3顯示了4線RTD應用中的比率式配置示例。恒定的激勵電流為RTD和精密電阻RREF供電，RREF上產生的電壓就是RTD測ce量liang的de基ji準zhun電dian壓ya。激ji勵li電dian流liu的de任ren何he變bian化hua都dou不bu會hui影ying響xiang測ce量liang的de精jing度du。因yin此ci，采cai用yong比bi率lv式shi方fang法fa時shi
，允yun許xu使shi用yong噪zao聲sheng較jiao大da且qie不bu那na麼me穩wen定ding的de激ji勵li電dian流liu。激ji勵li電dian流liu具ju有you更geng好hao的de抗kang擾rao度du，優you於yu電dian壓ya激ji勵li。本ben文wen稍shao後hou會hui討tao論lun選xuan擇ze激ji勵li源yuan值zhi時shi需xu要yao考kao慮lv的de主zhu要yao因yin素su。

 

圖3.4線RTD比率測量

 

IOUT/AIN共用引腳

 

許多RTD係統設計人員使用集成多路複用器和激勵電流的Σ-Δ型ADC，以支持多通道測量和靈活地將激勵電流連接到各傳感器。AD7124等ADC允許單個引腳同時用作激勵電流和模擬輸入引腳（參見圖4）。由於IOUT和AIN共用引腳，因此每個3線RTD傳感器隻需要兩個引腳
，這有利於增加通道數。但在這種配置中，抗混疊或電磁幹擾(EMI)濾波中的大值電阻R與RTD串聯，會給RTD電阻值帶來誤差
，因此R值受到限製。正因如此
，通常建議為每個激勵電流源提供專用引腳
，以避免給RTD測量帶來誤差。

 

圖4.3線RTD，IOUT/AIN引腳共用 

 

4線RTD連接圖

 

4線RTD配置性能最佳。相比於其他兩種配置，係統設計人員麵臨的唯一問題是傳感器本身的成本和4引腳連接器的尺寸。在這種配置中，引線引起的誤差通過返回線路消除。4線配置使用開爾文檢測，兩條線承載往返RTD的激勵電流
，其餘兩條線檢測RTD元件本身的電流。引腳電阻引起的誤差會被係統本身消除。4線配置隻需要一個激勵電流IOUT，如圖5所示。來自ADC的三個模擬引腳用於實現單個4線RTD配置：一個引腳用於激勵電流IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用於檢測RTD上的電壓。

 

當設計使用多個4線RTD時
，可以使用單個激勵電流源，並將激勵電流導向係統中的不同RTD。將基準電阻放在RTD的低端

，單個基準電阻便可支持所有RTD測量。也就是說，該基準電阻由所有RTD共享。請注意，如果ADC的基準輸入具有寬共模範圍，則基準電阻可以放在高端或低端。因此，對於單個4線RTD，可以使用高端或低端上的基準電阻。但是，當係統中使用多個4線RTD時
，將基準電阻放在低端是有利的，因為一個基準電阻可以由所有RTD共享。請注意
，某些ADCneizhijizhundianyahuanchongqi。zhexiehuanchongqikenengxuyaoyidingdeyuliang
，yinciruguoshinenghuanchongqi，zexuyaoyuliangdianzu。shinenghuanchongqiyiweizhekeyijianggengqiangdadelvbolianjiedaojizhunyinjiaoerbuhuiyinqiwucha，liruADC內的增益錯誤。

 

2線RTD連接圖

 

2線RTD配置是最簡單的配置，如圖6所示。2線配置隻需要一個激勵電流源。來自ADC的三個模擬引腳用於實現單個2線RTD配置：一個引腳用於激勵電流IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用於檢測RTD上的電壓。當設計使用多個2線RTD時
，可以使用單個激勵電流源
，並將激勵電流導向係統中的不同RTD。按照4線配置將基準電阻放在RTD的低端
，單個基準電阻便可支持所有RTD測量。也就是說，該基準電阻由所有RTD共享。

 

2線配置是三種接線配置中精度最低的配置，原因是測量的實際電阻值既包括傳感器的電阻值

，也包括引線RL1和RL2的電阻值，從而增大了ADC上的電壓測量結果。如果傳感器在遠程
，係統使用非常長的導線，則誤差將很大。例如，25英尺長的24 AWG銅線的等效電阻為：0.026Ω/英尺（0.08Ω/米）× 2 × 25英尺 = 1.3Ω。因此，1.3Ω導線電阻產生的誤差為：(1.3/0.385) = 3.38°C（近似值）。導線電阻還會隨溫度而變化
，這又會增加誤差。

 

圖5.單個和多個4線RTD模擬輸入配置測量 

 

3線RTD連接圖

 

使用3線RTD配置可以大幅改善2線RTD配置的引線電阻所引起的較大誤差。本文使用第二激勵電流（如圖7所示）來抵消RL1和RL2所產生的引線電阻誤差。因此，來自ADC的四個模擬引腳用於實現單個3線RTD配置：兩個引腳用於激勵電流（IOUT0和IOUT1），兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM）用於檢測RTD上的電壓。

 

圖6.單個和多個2線RTD模擬輸入配置測量

 

圖7.單個和多個3線RTD模擬輸入配置測量 

 

有兩種方法可以配置3線RTD電路。方法1將基準電阻放在頂邊
，使得第一激勵電流IOUT0流到RREF、RL1，然後流到RTD；第二電流流經RL2引線電阻，產生的電壓抵消RL1引(yin)線(xian)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)。因(yin)此(ci)，匹(pi)配(pei)良(liang)好(hao)的(de)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)可(ke)完(wan)全(quan)消(xiao)除(chu)引(yin)線(xian)電(dian)阻(zu)導(dao)致(zhi)的(de)誤(wu)差(cha)。如(ru)果(guo)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)匹(pi)配(pei)得(de)不(bu)是(shi)那(na)麼(me)好(hao)，使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)配(pei)置(zhi)可(ke)使(shi)不(bu)匹(pi)配(pei)的(de)影(ying)響(xiang)最(zui)小(xiao)化(hua)。同(tong)一(yi)電(dian)流(liu)流(liu)到(dao)RTD和RREF；因此
，兩個IOUT之間的任何不匹配隻會影響引線電阻計算。測量單個RTD時，此配置很有用。

 

測量多個3線RTD時

，建議將基準電阻放在底邊（方法2），這樣隻能使用單個基準電阻

，從而最大限度地降低總成本。然而，在這種配置中，一個電流流過RTD
，但有兩個電流流過基準電阻。因此，IOUT的任何不匹配都會影響基準電壓的值和引線電阻的抵消。當存在激勵電流不匹配時，該配置的誤差會比方法1更大。有兩種可能的方法可以校準IOUT之間的不匹配和不匹配漂移
，從而提高第二種配置的精度。第一種方法是對激勵電流斬波（交換）
，在(zai)每(mei)個(ge)階(jie)段(duan)執(zhi)行(xing)一(yi)次(ci)測(ce)量(liang)
，然(ran)後(hou)將(jiang)兩(liang)個(ge)測(ce)量(liang)值(zhi)平(ping)均(jun)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)校(xiao)準(zhun)。另(ling)一(yi)種(zhong)辦(ban)法(fa)是(shi)測(ce)量(liang)實(shi)際(ji)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)本(ben)身(shen)
，然(ran)後(hou)在(zai)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)使(shi)用(yong)計(ji)算(suan)的(de)不(bu)匹(pi)配(pei)來(lai)補(bu)償(chang)該(gai)不(bu)匹(pi)配(pei)。關(guan)於(yu)這(zhe)些(xie)校(xiao)準(zhun)的(de)更(geng)多(duo)細(xi)節(jie)在(zai) CN0383中討論。

 

RTD係統優化

 

檢查係統設計人員的問題，可發現設計和優化RTD應用解決方案存在不同的挑戰。挑戰一是上麵討論的傳感器選型和連接圖。挑戰二是測量的配置，包括ADC配置
、設置激勵電流
、設置增益和選擇外部元件，同時確保係統優化並在ADC規格範圍內運行。最後
，最關鍵的問題是如何實現目標性能
，確定有哪些誤差源貢獻了整體係統誤差。

 

幸運的是，有一款新工具 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator ，它為設計和優化RTD測量係統提供從概念到原型製作的實操解決方案。

 

該工具

 

●    有助於了解正確的配置

、接線和電路圖

●    有助於了解不同誤差源並支持設計優化

 

該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設計，允許客戶調整激勵電流、增益
、外部元件等設置。它會指出超邊界狀況，以確保最終解決方案在ADC的規格範圍內。

 

圖8.RTD配置程序 

 

激勵電流、增益和外部元件的選擇

 

理想情況下
，我們傾向於選擇較高的激勵電流以產生較高的輸出電壓，並使ADCshurufanweizuidahua。raner，youyuchuanganqiweizuxing，shejirenyuanhaibixuquebaodazhijilidianliudegonghaohuozifarexiaoyingbuhuiyingxiangceliangjieguo。xitongshejirenyuankenengxuanzegaojilidianliu。danshi，weishizifarezuixiaohua，zailiangciceliangzhijianxuyaoguanbijilidianliu。shejirenyuanxuyaokaolvshixuduixitongdeyingxiang。lingyizhongfangfashixuanzejiaodijilidianliu，yishizifarezuixiao。shixuxianyizuixiaohua，danshejirenyuanxuyaoquedingxitongxingnengshifoushoudaoyingxiang。suoyoufangandoukeyitongguo RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進行測試。該工具允許用戶平衡激勵電流
、增益和外部元件的選擇，以確保模擬輸入電壓得到優化，同時調整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和係統性能，即噪聲和失調誤差更低。

 

要了解所得到的濾波曲線，或者要更深入地了解轉換時序，VirtualEval在線工具 可提供相關細節。

 

Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準輸入均由開關電容前端連續采樣。對於所討論的RTD係統，基準輸入也受外部基準電阻驅動。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用一個外部RC濾波器用於抗混疊。為了EMC目的，係統設計人員可以在模擬輸入端和基準輸入端使用較大R和C值。大RCzhizaiceliangzhongkenengyinqizengyiwucha，yinweizailianggecaiyangshikezhijiandeshijianli，qianduandianlumeiyouchongzudeshijianlaijianli。huanchongmonihejizhunshurukefangzhicileizengyiwucha
，congeryunxushiyongbushouxianzhideR和C值。

 

對於AD7124-4/AD7124-8
，當使用大於1的內部增益時，模擬輸入緩衝器自動使能，由於PGA放置在輸入緩衝器的前麵，並且PGA是軌到軌的，所以模擬輸入也是軌到軌的。但是，對於基準緩衝器，或者在增益為1時使用ADC且使能模擬輸入緩衝器
，則有必要確保提供正確運行所需的裕量。

 

Pt100輸出的信號電平很低，大約為幾百mV。為獲得最佳性能
，可以使用寬動態範圍的ADC。或者使用一個增益級來放大信號，再將其應用於ADC。AD7124-4/AD7124-8支持1到128的增益
，因而可以針對各種激勵電流優化設計。PGA增益的多個選項允許設計人員在激勵電流值與增益
、外部元件、性能之間取舍。RTD配置工具會指示新的激勵電流值是否能與所選RTD傳感器一起使用。它還會給出精密基準電阻和基準裕量電阻的適當建議值。請注意，該工具可確保ADC在規格範圍內使用——它會顯示支持相關配置的可能增益。AD7124激勵電流具有輸出順從性
；也就是說
，提供激勵電流的引腳上的電壓相對於AVDD需要一些裕量。該工具也會確保符合該順從規格。

 

借助RTD工具，係統設計人員可以保證係統在ADC和RTD傳感器的工作限值內運行。基準電阻等外部元件的精度及其對係統誤差的貢獻將在稍後討論。

 

濾波選項（模擬和數字50 Hz/60 Hz抑製）

 

如前所述
，建議將抗混疊濾波器配合Σ-Δ型(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)使(shi)用(yong)。嵌(qian)入(ru)式(shi)濾(lv)波(bo)器(qi)是(shi)數(shu)字(zi)式(shi)，所(suo)以(yi)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)在(zai)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)附(fu)近(jin)折(zhe)回(hui)。為(wei)了(le)充(chong)分(fen)衰(shuai)減(jian)調(tiao)製(zhi)器(qi)頻(pin)率(lv)及(ji)其(qi)倍(bei)數(shu)處(chu)的(de)幹(gan)擾(rao)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)抗(kang)混(hun)疊(die)濾(lv)波(bo)。Σ-Δ型轉換器會對模擬輸入過采樣，因此抗混疊濾波器的設計大大簡化，隻需要一個簡單的單極點RC濾波器。

 

當最終係統投入現場使用時，處理來自係統所處環境的噪聲或幹擾可能非常有挑戰性，尤其是在工業自動化
、儀器儀表
、過程控製或功率控製等應用領域
，這些應用要求耐噪，同時不能產生太大噪聲而影響到相鄰元器件。噪聲、瞬態或其他幹擾源會影響係統精度和分辨率。當係統由交流電源供電時，也會產生幹擾。交流電源頻率在歐洲是50 Hz及其倍數，在美國是60 Hz及其倍數。因此，當設計RTD係統時
，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑製能力的濾波電路。許多係統設計人員希望設計一個能夠同時抑製50 Hz和60 Hz的通用係統。

 

大多數較低帶寬ADC（包括AD7124-4/AD7124-8）提供多種數字濾波選項，通過編程可將陷波頻率設置為50 Hz/60 Hz。所選濾波器選項會影響輸出數據速率、建立時間以及50 Hz/60 Hz抑製。使能多個通道時
，每次切換通道都需要一個建立時間以便產生轉換結果。因此，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率。在這種情況下，可使用後置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同時抑製，從而提高吞吐速率。

 

功耗考慮

 

係統的電流消耗或功耗預算分配高度依賴於最終應用。AD7124-4/AD7124-8具有三種功耗模式，支持在性能、速度和功耗之間進行權衡。便攜式或遠程應用須使用低功耗器件和配置。對於某些工業自動化應用，整個係統都由4 mA到20 mA環路供電
，因此允許的電流預算最大值僅有4 mA。對於此類應用，可以將器件設置為中功率或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍(reng)能(neng)提(ti)供(gong)高(gao)性(xing)能(neng)。如(ru)果(guo)應(ying)用(yong)是(shi)由(you)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)的(de)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)，則(ze)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)可(ke)以(yi)高(gao)得(de)多(duo)，因(yin)此(ci)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)設(she)置(zhi)為(wei)全(quan)功(gong)率(lv)模(mo)式(shi)，該(gai)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)高(gao)得(de)多(duo)的(de)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)和(he)更(geng)高(gao)的(de)性(xing)能(neng)。

 

誤差源和校準選項

 

知道所需的係統配置之後

，下一步是估算與ADC相關的誤差和係統誤差。這些誤差可幫助係統設計人員了解前端和ADC配置是否滿足整體目標精度和性能。 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 允許用戶修改係統配置以獲得最佳性能。例如，圖9顯(xian)示(shi)了(le)所(suo)有(you)誤(wu)差(cha)的(de)摘(zhai)要(yao)。係(xi)統(tong)誤(wu)差(cha)餅(bing)圖(tu)表(biao)明(ming)，外(wai)部(bu)基(ji)準(zhun)電(dian)阻(zu)的(de)初(chu)始(shi)精(jing)度(du)及(ji)其(qi)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)是(shi)係(xi)統(tong)總(zong)誤(wu)差(cha)的(de)主(zhu)要(yao)貢(gong)獻(xian)因(yin)素(su)。因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)使(shi)用(yong)更(geng)高(gao)精(jing)度(du)和(he)更(geng)好(hao)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)的(de)外(wai)部(bu)基(ji)準(zhun)電(dian)阻(zu)。

 

ADC引起的誤差不是係統總誤差的最重要貢獻因素。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的內部校準模式可以進一步減小ADC的誤差貢獻。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除ADC增益和失調誤差。請注意，這些校準不會消除外部電路造成的誤差。但是，ADC還支持係統校準，使得係統失調和增益錯誤可以最小化，但這可能會增加額外的成本，大多數應用可能不需要。

 

故障檢測

 

對於惡劣環境或安全很重要的應用，診斷正成為行業要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實現診斷的需求


，使得解決方案尺寸更小
、時間更短且成本更低。診斷包括：

 

●    檢查模擬引腳上的電壓電平，確保其在額定工作範圍內

●    串行外設接口(SPI)總線的循環冗餘校驗(CRC)

●    存儲器映射的CRC

●    信號鏈檢查

 

這些診斷使得解決方案更強大。根據IEC 61508
，典型3線RTD應用的失效模式
、影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比率(SFF)大於90%。

 

RTD係統評估

 

圖10顯示了來自電路筆記CN-0383的一些測量數據。該測量數據是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得，其中包括2-/3-/4-線RTD的演示模式，並計算了相應的攝氏溫度值。結果表明，2線RTD實現方案的誤差更接近誤差邊界的下限
，而3線或4線RTD實現方案的總體誤差完全在允許限值以內。2線測量中的較高誤差源於前麵所述的引線電阻誤差。

 

圖9.RTD誤差源計算程序 

 

這些例子說明，當與ADI公司的較低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）一起使用時

，遵循上述RTD指南將能實現高精度、高性能設計。電路筆記(CN0383)也(ye)可(ke)用(yong)作(zuo)參(can)考(kao)設(she)計(ji)，幫(bang)助(zhu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)快(kuai)速(su)實(shi)現(xian)原(yuan)型(xing)。評(ping)估(gu)板(ban)允(yun)許(xu)用(yong)戶(hu)評(ping)估(gu)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)，每(mei)種(zhong)示(shi)例(li)配(pei)置(zhi)演(yan)示(shi)模(mo)式(shi)都(dou)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)。進(jin)一(yi)步(bu)說(shuo)
，使(shi)用(yong)ADI生成的示例代碼（可從AD7124-4/AD7124-8產品頁麵獲得），可以輕鬆開發出不同RTD配置的固件。

 

采用Σ-Δ架構的ADC（例如AD7124-4/AD7124-8）適合於RTD測量應用，因為其解決了諸如50 Hz/60 Hz抑製之類的問題，並且模擬輸入具有寬共模範圍（基準輸入也可能有）。另外，這些器件具有高集成度，包含RTD係(xi)統(tong)設(she)計(ji)所(suo)需(xu)的(de)全(quan)部(bu)功(gong)能(neng)。它(ta)們(men)還(hai)提(ti)供(gong)增(zeng)強(qiang)特(te)性(xing)，如(ru)校(xiao)準(zhun)能(neng)力(li)和(he)嵌(qian)入(ru)式(shi)診(zhen)斷(duan)。這(zhe)種(zhong)集(ji)成(cheng)度(du)加(jia)上(shang)完(wan)整(zheng)的(de)係(xi)統(tong)資(zi)料(liao)或(huo)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)，將(jiang)能(neng)簡(jian)化(hua)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)

，降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)，縮(suo)短(duan)從(cong)概(gai)念(nian)到(dao)原(yuan)型(xing)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)。

 

為使係統設計人員的設計之旅更輕鬆
，可以使用 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383來解決不同的挑戰，例如連接問題和整體誤差預算
，將用戶的設計體驗提升到更高層次。

 

結論

 

本文已說明，設計RTD溫度測量係統是一個具挑戰性的多步驟過程。它需要選擇不同的傳感器配置、ADC和優化，並考慮這些決策如何影響整體係統性能。ADI公司的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具和在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN-0383
，通過解決連接和整體誤差預算問題來簡化該過程。

 

圖10.2-/3-/4-線RTD溫度精度測量後置濾波器，低功耗模式，25 SPS

 

 

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