多路複用三線式RTD數據采集係統的誤差最小化
發布時間：2020-04-17 來源：Henry He 責任編輯：wenwei
【導讀】電阻溫度檢測器(RTD) 可在很多工業應用中監控溫度。在一個分布式控製係統 (DCS)或可編程邏輯控製器 (PLC)中, 一個數據 采集模塊可用來監控很多安裝在遠處的RTD 溫度。在高性能應用中，若每個RTD 都自帶激勵電路和ADC，則具有最佳的精度，但數據采集模塊將會體積龐大、成本高昂，且功耗高。多路複用模塊具有體積較小、成本和功耗較低的特性，但可能會損失一定精度性能。本文討論如何最小化多路複用係統誤差。
電路結構
提供雙線式、三線式和四線式RTD 配置，其中，雙線式配置的器件成本最低，四線式器件精度最佳。三線式RTD 通常用 於工業應用中，可采用兩個相同的電流源激勵，以消除引腳電阻。與精密參考電阻一同使用時，電流源誤差不影響測量精度。高性能ADC（如AD7792和AD7793集成激勵電流源，適合高精度RTD 測量。
圖1 顯示片內電流源激勵兩個三線式RTD。RTD 通道可由多 路複用器選擇，如ADG5433高壓、防閂鎖、三路SPDT 開關。
圖1. 兩個三線式RTD 多路複用至一個AD7792/AD7793 ADC
一次隻能測量一個RTD。S1A、S1B 和S1C 閉合測量RTD #1； S2A、S2B 和S3B 閉合測量RTD #2。單個ADG5433 可切換兩個三線式RTD；可增加額外的多路複用器處理兩個以上的傳感 器。RLXX表示RTD 和測量係統之間由於導線過長引入的電阻以及開關的導通電阻。
計算RTD電阻
由於S1A、S1B 和S1C 閉環測量RTD #1，RTD 電阻可計算如下：
因此，測量值僅取決於 RREF的數值（和精度）。但請記住，我們假定IOUT1 = IOUT2 ，並且 RL1A = RL1B = RL1C。事實上，這些電流和電阻失配是測量誤差的主要來源。
電流源和線路電阻失配的影響
下一步，假定兩個電流源失配，比如 IOUT2 = (1 + x) IOUT1。現在，考慮下列情況：
qingzhuyi，shipeihuidaozhishitiaowuchayijizengyiwucha。shitiaowuchayulianggeyinjiaodianzuzhijiandeshipeiyouguan，erzengyiwuchayulianggedianliuyuanzhijiandeshipeiyouguan。ruguobukaolvzhexieshipeiqingkuang，zegenjuADC 的數據讀數計算的RTD 電阻值將是不準確的。
以200 Ω RTD 為例, 表1 顯示不考慮失配時，得到的數值；其 中RREF = 1000 Ω, IOUT1 = 1 mA, IOUT2 > IOUT1 （以百分比顯示）， RL1A = 10 Ω, RL1C > RL1A （以電阻值顯示）。
表1. 不考慮失配時的RTD 測量值
最小化誤差
數據顯示很小的失配就會嚴重影響精度，因此應當使用匹配良好的電流源和開關，以便改進性能。
傳遞函數是線性的，因此可輕鬆校準電流源和電阻失配導致的初始誤差。然而，失配隨溫度的變化而改變，這使得補償變得 很不容易。因此，選用的器件應隨溫度的變化而具有低漂移特性。
若 IOUT1 ≠ IOUT2, 且電流源如圖所示連接：
假定我們交換 IOUT1 和 IOUT2, 使 IOUT1 連接 VIN– 和 IOUT2 並連接 VIN+:
現在，如果我們對轉換結果求和，並且電流源以初始方向連接， 同時第二次轉換時交換電流源，則可得：
請注意，測量值現已獨立於電流源失配。唯一的缺點是速度的損失，因為每次RTD 計算都需經過兩次轉換。
AD7792 和AD7793 針對該應用設計。如圖2 所示，通過寫入 I/O 寄存器，集成開關可簡化電流源到輸出引腳的交換。
圖2. AD7792/AD7793 功能框圖
結論
在AD7792/AD7793 器件內交換激勵電流源可改善多路複用 RTD 測量電路的精度。計算顯示了電流源和線路電阻之間失配 問題的重要性
參考電路
Kester, Walt, James Bryant, and Walt Jung. “Temperature Sensors.” Sensor Signal Conditioning, Section 7. Analog Devices, Inc., 1999.
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