RTD比率温度测量的模拟前端设计注意事项

作者：Alex Buda and Barry Zhang

许多系统设计人员将Σ-Δ型ADC与RTD（电阻温度检测器）结合使用进行温度测量，但难以实现所用ADC数据手册中规定的高性能。例如，一些设计人员可能只能从16位至18位ADC获得12至13个无噪声位。本文介绍的前端技术将使设计人员能够在其系统设计中实现16+无噪声位。

在比率测量中使用RTD的优势在于它消除了误差源，例如激励电流源的精度和漂移。下面是4线RTD比率测量电路的典型电路。4线配置的优点是可以消除引线电阻引起的误差。

图1.4线RTD比率测量电路。

从上面的电路中，我们可以推导出以下两个方程：

当ADC在双极性差分模式下工作时，用于计算RTD电阻（RRTD）的一般表达式由下式给出：

其中：

代码即热处理 是 ADC 代码。

法典ADC_Fullscale是 ADC 满量程代码。

RTD的测量电阻值理论上仅与基准电阻的精度和漂移有关。通常 R裁判是一款精度为 0.1% 的精确、低漂移电阻器。

当工程师使用这种类型的电路设计产品时，他们将在模拟输入之前添加一些电阻和电容，用于低通滤波的外部基准引脚以及过压保护，如图2所示。在本文中，我们将展示选择合适的电阻器和电容器以获得更好的噪声性能时应考虑的事项。

图2.典型的4线RTD比率测量电路。

从图 2 中我们可以看到 R1， R2， C1， C2和 C3用作一阶低通RC滤波器，为差分和共模电压信号提供衰减。R 的值1和 R2对于 C 的值应该相同且相似1和 C2.同样，R3， R4， C4， C5和 C6用作参考路径的低通滤波器。

共模低通RC滤波器

图3所示为共模、低通滤波器等效电路。

图3.共模低通滤波器。

由于 A 点的共模电压等于 b 点的电压，因此没有电流流过 C3.因此，共模截止频率可以表示为

差模低通RC滤波器

为了更好地理解差分信号的低通RC滤波器截止频率，C3图4中的电容可以认为是两个独立的电容C。一个和 Cb在图 5 中。

图4.差模低通滤波器。

图5.差模低通滤波器等效电路。

从图5可以看出，差模截止频率为：

通常 C 的值3比 C 的值大 10×厘米.这样做的目的是减少由 C 的不匹配引入的影响1和 C2.例如，ADI公司电路笔记CN-0381中使用的模拟前端设计如图6所示，差分信号的截止频率约为800 Hz，共模信号的截止频率为16 kHz。

图6.使用AD7124进行RTD测量的模拟输入配置

电阻和电容注意事项

除了作为低通滤波器的一部分外，R1和 R2还可以提供过压保护。如果在AD7124-4 A之前使用3 kΩ电阻在图6中的引脚可以防止高达30 V的接线错误。不建议在 A 之前使用较大的电阻器在引脚有以下两个原因。首先，它们会产生更多的热噪声。其次，A在引脚的输入电流将流过这些电阻并引入误差。这些输入电流没有恒定值，当它们与它们之间的不匹配相结合时，它们会产生噪声，噪声会随着电阻的大小而增加。

电阻和电容值在决定最终电路的性能方面起着至关重要的作用。设计人员需要了解其现场要求，并根据上述公式计算电阻和电容值。对于集成激励电流源的ADI Σ-Δ型ADC器件和精密模拟微控制器，建议在A之前使用相同的电阻和电容值在和参考引脚。这种设计可确保模拟输入电压与基准电压保持成比例，并且由于激励电流的温度漂移和噪声引起的模拟输入电压中的任何误差都可以通过基准电压的变化进行补偿。

采用比率式测量的ADuCM360的噪声性能

ADuCM360是一款完全集成的3.9 kSPS、24位数据采集系统，在单芯片上集成了双通道、多通道Σ-Δ型ADC、32位ARM Cortex-M3处理器和闪存/EE存储器。它还集成了可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程激励电流源、灵活的多路复用器和许多其他功能。它允许直接连接电阻式温度传感器。®®

使用ADuCM360进行RTD测量时，REF–引脚通常接地，因此4和 C5图2中的可以移除，因为没有电流流过它们。C4和 C6是并行的，因此可以将这两者加在一起。但是，因为C4比 C 小得多6，可以忽略它。这导致简化的模拟前端电路，如图7所示。

图7.ADuCM360模拟前端电路，用于RTD测量。

表1显示了模拟和基准输入路径前面的匹配和不匹配滤波器的噪声电平。使用100 Ω精密电阻代替R即热处理测量ADC输入引脚上的噪声电压。R 的值裁判为 5.62 kΩ。

表 1.噪声测试结果

 

模数转换器增益	我源（微安）	100 Ω电阻上的噪声电压 （μV）
		R1= R2= R3= 1k	R1= R2= 10k R3= 1k
16	100	1.6084	1.8395
16	200	1.6311	1.7594
16	300	1.6117	1.9181
16	400	1.6279	1.9292

 

从表1中我们可以看到，使用匹配的模拟前端电路，其中R的值为R1和 R2与 R 相同3，与不匹配电路相比，噪声降低了约0.1 μV至0.3 μV，这意味着ADC无噪声位数增加约0.25位至16.2位，ADC PGA增益为16。

结论

使用匹配的RC滤波电路，并根据本文介绍的考虑因素根据现场要求选择合适的电阻和电容值，比率测量应用中的RTD可以获得最佳结果。

审核编辑：郭婷