多路三线RTD电阻温度采集电路设计方案

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电阻温度检测器(RTD)可在很多工业应用中监控温度。在一个分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)中，一个数据采集模块可用来监控很多安装在远处的RTD温度。在高性能应用中，若每个RTD都自带激励电路和ADC，则具有最佳的精度，但数据采集模块将会体积庞大、成本高昂，且功耗高。

多路复用模块具有体积较小、成本和功耗较低的特性，但可能会损失一定精度性能。本文讨论如何最小化多路复用系统误差。

1、电路结构

RTD电阻有双线式、三线式和四线式，其中，双线式配置的器件成本最低，四线式器件精度最佳。三线式RTD通常用于工业应用中，可采用两个相同的电流源激励，以消除引脚电阻。与精密参考电阻一同使用时，电流源误差不影响测量精度。高性能ADC(如AD7792和AD7793)集成激励电流源，适合高精度RTD测量。

图1显示片内电流源激励两个三线式RTD。RTD通道可由多路复用器选择，如ADG5433高压、防闩锁、三路SPDT开关。

一次只能测量一个RTD。S1A、S1B和S1C闭合测量RTD #1；S2A、S2B和S3B闭合测量RTD #2。单个ADG5433可切换两个三线式RTD；可增加额外的多路复用器处理两个以上的传感器。RLXX表示RTD和测量系统之间由于导线过长引入的电阻以及开关的导通电阻。

2、计算RTD电阻

由于S1A、S1B和S1C闭环测量RTD #1，RTD电阻可计算如下：

因此，测量值仅取决于RREF的数值(和精度)。但请记住，我们假定IOUT1 = IOUT2，并且RL1A = RL1B = RL1C。事实上，这些电流和电阻失配是测量误差的主要来源。

下一步，假定两个电流源失配，比如IOUT2 = (1 + x) IOUT1。现在，考虑下列情况：

请注意，失配会导致失调误差以及增益误差。失调误差与两个引脚电阻之间的失配有关，而增益误差与两个电流源之间的失配有关。如果不考虑这些失配情况，则根据ADC的数据读数计算的RTD电阻值将是不准确的。

以200 Ω RTD为例，表1显示不考虑失配时，得到的数值；其中，RREF = 1000 Ω，IOUT1 = 1 mA，IOUT2 > IOUT1(以百分比显示)，RL1A = 10 Ω，RL1C > RL1A(以电阻值显示)。

数据显示很小的失配就会严重影响精度，因此应当使用匹配良好的电流源和开关，以便改进性能。
传递函数是线性的，因此可轻松校准电流源和电阻失配导致的初始误差。然而，失配随温度的变化而改变，这使得补偿变得很不容易。

因此，选用的器件应随温度的变化而具有低漂移特性。若IOUT1 ≠ IOUT2，且电流源如图所示连接：

假定我们交换IOUT1和IOUT2，使IOUT1连接VIN–和IOUT2，并连接VIN+：

现在，如果我们对转换结果求和，并且电流源以初始方向连接，同时第二次转换时交换电流源，则可得：

请注意，测量值现已独立于电流源失配。唯一的缺点是速度的损失，因为每次RTD计算都需经过两次转换。

AD7792和AD7793针对该应用设计。如图2所示，通过写入I/O寄存器，集成开关可简化电流源到输出引脚的交换。

在AD7792/AD7793器件内交换激励电流源可改善多路复用RTD测量电路的精度。计算显示了电流源和线路电阻之间失配问题的重要性。

学习总结：ADI官网

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