RTD传感器信号调理电路简介

　　了解用于 RTD 应用的不同信号调理电路的基础知识，包括分压器、惠斯通电桥电路和 Δσ 转换器。

　　在本系列的前几篇文章中，我们讨论了 电阻温度检测器 和 他们的反应是如何表征的。本文将讨论RTD应用中不同信号调理电路的基础知识。

　　使用分压器进行 RTD 测量

　　可以使用简单的电阻分压器将RTD电阻的变化转换为电压信号。图1显示了铂RTD的典型电路图。图中的Pt1000表示铂RTD，在0°C时的标称电阻为1000 Ω。

　　

　　图1. 铂RTD电路图示例。

　　与大多数电阻式传感器一样，RTD传感器根据测量物理量的变化而变化的百分比相对较小。考虑到这一点，Pt1000的温度系数约为3.85 Ω / °C。 让我们看看节点 A 的电压变化有多大。

　　假设我们需要以0.2°C的分辨率测量温度，这可能是一个相对苛刻的要求。如果温度从0°C变为0.2°C，则传感器电阻从1000 Ω增加到1000.77 Ω。因此，节点A的电压从1.5 V更改为1.50288 V，计算如下：

　　

　　因此，将温度改变0.2°C会使节点A的电压改变约577μV。我们可以直接测量V一个 确定RTD电阻值和温度;但是，我们的测量系统应该具有足够的分辨率来检测1.5V信号中的几分之一毫伏变化。将1.5 V分压到所需的最小步长（577 μV），我们可以估算模数转换器的无噪声计数，其结果为：

　　这对应于关于日志的无噪声分辨率2（2600） = 11.34 位。请注意，这仅为我们提供了A / D分辨率的近似值。实际要求更为严格，取决于温度计设计的温度范围。此外，我们用3.85 Ω/°C的恒定温度系数对RTD进行了建模，而RTD实际上是非线性器件。

　　11位的无噪声分辨率可以通过当今的 三角积分 （ΔΣ） 转换器。因此，我们可以使用图1中的电路以及ΔΣ转换器直接对RTD两端的电压进行数字化处理。

　　然而，几十年前，这种高性能数据转换器既不可用也不经济;电路设计人员使用了诸如 惠斯通电桥电路 用于 RTD 测量。而 桥接电路 仍然普遍用于其他领域，例如力和压力传感应用，它们很少用于RTD测量。尽管如此，为了完整起见，我们将在下面简要讨论桥接电路如何放松 模数转换器 （ADC） 要求。

　　传统方法：使用惠斯通电桥进行 Pt1000 测量

　　用于Pt1000测量的基本惠斯通电桥如图2所示。

　　

　　图2. Pt1000的惠斯通电桥测量示例。

　　输出电压是两个支路之间的电压差。事实上，桥式电路将单端测量从简单的分压器分支更改为差分测量。在这种情况下，当电桥平衡时（0°C时），输出为0 V。如果温度升高0.2°C，输出增加到577 μV，计算如下：

　

　　在这种情况下，反映RTD电阻变化的所需信号不会位于大直流信号之上。输出仅包含我们要测量的信号。为了确定ADC的无噪声分辨率，我们应该考虑V的最大值和最小值外 在温度计的整个温度范围内。假设我们需要测量-40°C至150°C的范围。RTD 电阻变化 从 842.47 Ω 到 1573.25 Ω 在此温度范围内。我们可以使用此信息来确定 V 的最大值和最小值外 计算如下表1所示：

　　表 1.

　　由于应检测到的最小变化为577 μV，因此系统的无噪声计数可通过以下方式计算：

　

　　这对应于9.65位的无噪声分辨率。如您所见，在整个190 °C温度范围内获得的基于电桥的测量的ADC分辨率仍然比分压器方法的单次测量所获得的ADC分辨率更宽松。

　　RTD应用的桥式电路限制

　　虽然桥式电路可以降低ADC要求，但这种方法有一些缺点。电桥输出取决于电桥配置中采用的电阻值。这种限制就是为什么需要三个精密电阻来完成电桥的原因。除此之外，具有单个检测元件的电桥是非线性的。因此，除了RTD非线性之外，设计人员还必须补偿电桥的非线性响应。软件或 模拟技术 可用于线性化桥式电路，增加系统的复杂性。使用桥接电路时，我们还需要 具有大共模抑制的仪表放大器 可以提供 高阻抗和相等输入阻抗。

　　由于这些限制并注意到现代 Δ-Σ转换器 可以轻松满足和突破RTD应用的要求，电路设计人员通常不使用桥接电路进行RTD测量。

　　使用Δ-Σ转换器测量RTD传感器

　　图3显示了将RTD传感器与 ΔΣ 模数转换器。

　　

　　图3. 用于与 RTD 传感器和 ΔΣ ADC 接口的简化图

　　使用22位ADC和3 V基准电压时，LSB（最低有效位）等于 3222≈0.72M在3222≈0.72M在。

　　使用这些高分辨率ADC，最小可检测信号通常受到ADC内电子噪声的限制，例如内部电路产生的热噪声和闪烁噪声，而不是 量化噪声 的 ADC。如果需要复习一下ΔΣ ADC的噪声性能，可以参考这个优秀的 由十二部分组成的系列文章 来自德州仪器。

　　ΔΣ ADC的峰峰值输入折合噪声可以是微伏级或更低。假设ADC的折合到输入端的噪声为3 μVp-p.对于图3中的电路，我们可以找到RTD电压Vrtd的最大值和最小值，如下表2所示：

　　表 2.

　

　　利用这些信息，我们可以计算系统在-40°C至150°C温度范围内的无噪声计数，如下所示：

　

　　将温度范围除以无噪声计数得到温度测量分辨率：

　

　　虽然这种精度水平实际上令人兴奋，但应该注意的是，其他几个错误源阻止我们实现如此高的性能。R的初始公差和温度漂移1 ADC失调电压和失调漂移是其中的几个误差源。然而，上述计算证实，现代ADC的噪声性能和分辨率足以进行精密测温;但是，设计人员需要消除其他主要误差因素，以保持系统精度。

　　请注意，在上述示例中，偏置电阻R选择了一个相对较小的值1.实际上，可能需要更大的电阻来限制RTD自热效应。

　　RTD 应用的比率测量

　　虽然本文中的不同图表使用电压源来激励RTD，但许多RTD应用使用电流源进行传感器激励。此外，RTD应用通常从激励传感器的同一源获得ADC基准电压。这种技术称为 比率测量，最大限度地减少由传感器激励源或ADC基准电压源的意外变化引起的误差。在下一篇文章中，我们将继续讨论，看看RTD应用如何从比率测量中受益。