在比率式測(cè)量中使用RTD有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗芟?lì)電流源的精度和漂移等誤差源。下面是4線RTD比率式測(cè)量的典型電路。4線式配置的優(yōu)勢(shì)是可消除由引腳電阻產(chǎn)生的誤差。

 

圖1. 4線RTD比率式測(cè)量電路。

 

我們可以從上述電路推導(dǎo)出下面兩個(gè)公式：

 

 

當(dāng)ADC工作在雙極性差分模式時(shí)，計(jì)算RTD電阻(RRTD)的通用表達(dá)式如下所示：

 

 

其中：

 

Code_RTD為ADC碼。

 

Code_{ADC_Fullscale}為ADC滿量程代碼。

 

RTD的測(cè)量電阻值理論上僅與基準(zhǔn)電阻的精度和漂移相關(guān)。 通常，R_REF為精確的低漂移電阻，精度為0.1%。

 

當(dāng)工程師使用此類電路設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，他們會(huì)在模擬輸入和外部基準(zhǔn)電壓源引腳前添加一些電阻和電容，以獲得低通濾波和如圖2所示的過電壓保護(hù)。在本文中，我們將展示選擇合適的電阻和電容以獲得更好的噪聲性能時(shí)應(yīng)該考慮的因素。

 

圖2. 典型4線RTD比率式測(cè)量電路。

 

從圖2中可以看出，R₁、R₂、C₁、C₂和C₃用作為差分和共模電 壓信號(hào)提供衰減的一階低通RC濾波器。R₁和R₂的值應(yīng)相同， C₁和C₂的值也選擇相同的值。同樣，R₃、R₄、C₄、C₅和C₆用 作參考路徑的低通濾波器。

 

共模低通RC 濾波器

 

圖3所示為共模低通濾波器等效電路。

 

圖3. 共模低通濾波器。

 

因?yàn)閍點(diǎn)的共模電壓等于b點(diǎn)的電壓，所以沒有電流流過C₃。 因此，共模截止頻率可表示為：

 

 

差分模式低通RC 濾波器

 

為了更好地理解差分信號(hào)的低通RC濾波器截止頻率，可將圖 4中的C₃電容視作圖5中的兩個(gè)獨(dú)立電容：C_a和C_b。

 

圖4. 差分模式低通濾波器。

 

圖5. 差分模式低通濾波器等效電路。

 

圖5中，差分模式截止頻率為：

 

 

通常，C₃的值是C_cm的值的10倍。這是為了降低C₁和C₂不一致 產(chǎn)生的影響。例如，如圖6所示，ADI電路筆記CN-0381中使 用模擬前端設(shè)計(jì)時(shí)，差分信號(hào)的截止頻率約為800 Hz，共模 信號(hào)的截止頻率約為16 kHz。

 

圖6. 使用AD7124進(jìn)行RTD測(cè)量的模擬輸入配置。

 

電阻和電容考慮

 

除了作為低通濾波器的一部分外，R₁和R₂還可提供過電壓保 護(hù)。如果圖6中的 AD7124-4 AIN引腳前使用的是3 kΩ電阻，則最高可保護(hù)30 V接線錯(cuò)誤。不建議在AIN引腳前使用更大的電阻，原因有二。第一，它們將產(chǎn)生更大的熱噪聲。第二，AIN引腳具有輸入電流，電流將流經(jīng)這些電阻并引入誤差。這些輸入電流的大小不是恒定值，不匹配的輸入電流將產(chǎn)生噪聲，并且噪聲將隨電阻值增大而增大。

 

電阻和電容值對(duì)確定最終電路的性能至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員需要理解其現(xiàn)場(chǎng)要求，并根據(jù)上述公式計(jì)算電阻和電容值。對(duì)于具有集成激勵(lì)電流源的ADI Σ-Δ型ADC器件和精密模擬微控 制器，建議在AIN和基準(zhǔn)電壓源引腳前使用相同的電阻和電容值。這種設(shè)計(jì)可確保模擬輸入電壓始終與基準(zhǔn)電壓成比例， 并且激勵(lì)電流的溫度漂移和噪聲所引起的模擬輸入電壓的任何誤差，都可通過基準(zhǔn)電壓的變化予以補(bǔ)償。

 

用比率式測(cè)量法測(cè)得的ADuCM360 噪聲性能

 

ADuCM360是完全集成的3.9 kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙路高性能多通道Σ-Δ型ADC、32位ARM® Cortex®-M3處理器和Flash/EE存儲(chǔ)器。同時(shí)還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程激勵(lì)電流源、靈活的多路復(fù)用器以及其它許多特性。它可與電阻式溫度傳感器直接連接。

 

使用ADuCM360進(jìn)行RTD測(cè)量時(shí)，REF–引腳通常接地，因此圖2中的R₄和C₅無電流通過，可將其移除。C₄和C₆并聯(lián)一起。 由于C₄遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C₆，因此可忽略。最后便可得到簡(jiǎn)單的模擬 前端電路，如圖7所示。

 

圖7. 用于RTD測(cè)量的ADuCM360模擬前端電路。

 

表1列出了模擬和參考輸入路徑前具有匹配和不匹配濾波器時(shí) 的噪聲水平。使用100 Ω精密電阻代替R_RTD，以測(cè)量ADC輸入 引腳上的噪聲電壓。R_Ref 的值為5.62 kΩ。

 

Table 1. Noise Test Results

 

從表1我們可以看出，使用R₁和R₂的值與R₃相同的匹配模擬前 端電路時(shí)，噪聲與不匹配電路相比降低約0.1 μV至0.3 μV，這 意味著ADC無噪聲位的數(shù)量增加約0.25位至16.2位，ADC PGA增益為16。

 

結(jié)論

 

按照本文介紹的考慮因素，使用匹配RC濾波器電路和根據(jù)現(xiàn) 場(chǎng)要求選擇合適的電阻和電容值，比率式測(cè)量應(yīng)用中的RTD 能夠獲得最佳的結(jié)果。

 

參考電路

 

CN-0381電路筆記。"采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4線RTD測(cè)量系統(tǒng)"ADI公司

 

CN-0267電路筆記。"具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀表"。 ADI公司

 

 

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