RTD信號(hào)調(diào)理——3線配置中的電壓與電流激勵(lì)

了解電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）信號(hào)調(diào)理技術(shù)，如電壓與電流激勵(lì)以及用于處理引線和導(dǎo)線電阻誤差的三線配置。

之前，我們探討了RTD的基礎(chǔ)知識(shí)，并介紹了RTD信號(hào)調(diào)理電路。本文將進(jìn)一步深入介紹RTD信號(hào)調(diào)理技術(shù)，并介紹電壓與電流激勵(lì)以及用于處理引線電阻誤差的三線配置等概念。

RTD應(yīng)用中的電壓與電流激勵(lì)

盡管我們?cè)谏弦黄P(guān)于信號(hào)調(diào)理的文章中使用了電壓激勵(lì)，但應(yīng)注意的是，大多數(shù)RTD應(yīng)用都使用電流源來(lái)激勵(lì)傳感器。圖1(a)和(b)分別描述了電壓和電流激勵(lì)方法的簡(jiǎn)化圖。

電壓（a）和電流（b）勵(lì)磁方法圖。

圖1 電壓（a）和電流（b）勵(lì)磁方法示意圖。

這兩種方法的選擇由設(shè)計(jì)者自行決定；然而，電流激勵(lì)可以提供更好的噪聲抗擾性，通常是在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中選擇的方法。大多數(shù)為RTD應(yīng)用設(shè)計(jì)的delta-sigma（ΔΣ）轉(zhuǎn)換器都包含一個(gè)或多個(gè)用于RTD激勵(lì)的內(nèi)部電流源。因此，電流激勵(lì)似乎比電壓激勵(lì)更常見(jiàn)。我們稍后還將討論，使用電流激勵(lì)時(shí)更容易補(bǔ)償RTD引線電阻誤差。

RTD電阻：接線電阻錯(cuò)誤

引線和接線電阻與RTD電阻串聯(lián)，并給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。假設(shè)一個(gè)100Ω的RTD通過(guò)一根10英尺長(zhǎng)的電線連接到測(cè)量系統(tǒng)，該電線與傳感器的每條引線串聯(lián)，電阻為1Ω（在0℃時(shí)），如圖2所示。

描繪引線和布線電阻的示例圖。

圖2:描繪引線和布線電阻的示例圖。

在這種情況下，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）“看到”的總電阻在0°C時(shí)為102Ω?？紤]到RTD的溫度系數(shù)為0.385Ω/°C，布線電阻引入了5.2°C的誤差。實(shí)際上，傳感器可能離測(cè)量系統(tǒng)更遠(yuǎn)，導(dǎo)致更大的誤差。此外，由于布線電阻隨溫度變化而變化，因此誤差不是恒定的，不能輕易地被消除。

圖2所示的簡(jiǎn)單接線配置稱為兩線配置。另外兩種接線技術(shù)，即三線和四線配置，可以補(bǔ)償接線電阻誤差。兩線配置是三種可用選項(xiàng)中最簡(jiǎn)單、最不準(zhǔn)確的。請(qǐng)注意，在使用電壓激勵(lì)的圖1（a）所示的電路中，引線電阻也會(huì)產(chǎn)生誤差。

RTD三線配置

三線配置如圖3所示。

顯示三線配置的圖表。

圖3. 三線配置示意圖。

這種配置需要三條電線將傳感器連接到測(cè)量設(shè)備。紅線顯示了從測(cè)量系統(tǒng)到RTD再回到系統(tǒng)地面的電流路徑。假設(shè)ADC輸入具有高阻抗，則節(jié)點(diǎn)A和B之間的電線上不會(huì)有電流流過(guò)。因此，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處于相同的電位，即Vwire2 = 0。應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，得出ADC輸入端出現(xiàn)的電壓為：

在這種情況下，只有一根導(dǎo)線的電阻會(huì)在ADC輸入端產(chǎn)生誤差電壓。假設(shè)導(dǎo)線的電阻相同，則上述配置可將導(dǎo)線電阻誤差減小一半。圖4顯示了三線配置如何與電壓激勵(lì)的RTD一起使用。

電壓激勵(lì)RTD的三線配置示例。

圖4. 電壓激勵(lì)RTD的三線配置示例。

同樣，沒(méi)有電流流過(guò)Rwire2，ADC感應(yīng)到RTD兩端的電壓加上Rwire3兩端的電壓。這使布線電阻誤差減半。

使用兩個(gè)電流源的三線配置

圖5顯示了具有恒定電流勵(lì)磁的另一種三線配置。

一種具有恒流勵(lì)磁的替代三線配置。

圖5. 恒流勵(lì)磁的另一種三線配置。

在這種情況下，使用兩個(gè)匹配的電流源來(lái)完全消除導(dǎo)線電阻誤差。應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，我們有：

假設(shè)電流源和導(dǎo)線電阻相同（$I_{exc1}=I_{exc2}and{R}_{wire1}=R_{wire2}$ ），Rwire1和Rwire2上會(huì)出現(xiàn)相同的電壓降，因此VADC=Vrtd。因此，ADC測(cè)量的電壓消除了線電阻誤差。兩個(gè)激勵(lì)電流之和無(wú)害地通過(guò)第三根線流向系統(tǒng)地。一些針對(duì)RTD應(yīng)用的ADC（如Analog Devices的AD7711）提供匹配的電流源，以方便上述三線配置。

圖6顯示了AD7711的功能框圖，其中包含兩個(gè)匹配的200μA電流源。

AD7711的框圖。

圖6：AD7711的框圖。圖片由Analog Devices提供

圖5中的電路假設(shè)兩個(gè)電流源相同。兩個(gè)電流源之間的任何不匹配都會(huì)使布線電阻在系統(tǒng)中引入誤差。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是在輸入端之間交換兩個(gè)電流。然后，對(duì)這兩種配置獲得的電壓進(jìn)行平均，以消除電流不匹配誤差。讓我們推導(dǎo)出方程，以充分理解這種技術(shù)的工作原理。首先，考慮圖5中所示的情況，并假設(shè)電流源不相等。ADC測(cè)量的電壓可以表示為：

如果我們?cè)趦蓚€(gè)輸入端之間交換兩個(gè)電流源（圖7），我們就會(huì)得到一個(gè)新的測(cè)量結(jié)果：

圖表顯示兩個(gè)輸入端之間兩個(gè)電流源的交換。

圖7. 顯示兩個(gè)輸入之間兩個(gè)電流源交換的示意圖。

對(duì)兩次測(cè)量結(jié)果取平均值，我們得到：

如果線電阻相同

上述方程簡(jiǎn)化為：

該方程與布線電阻無(wú)關(guān)。一些ADC（如ADS1220）在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了RTD測(cè)量要求，包括一個(gè)多路復(fù)用器來(lái)交換內(nèi)部電流源。圖8顯示了使用ADS1220的具有電流交換（或斬波）能力的三線RTD測(cè)量圖。

帶有電流交換的三線電阻式溫度檢測(cè)器測(cè)量圖。

圖8.帶有電流交換的三線電阻式溫度檢測(cè)器測(cè)量圖。圖片由德州儀器公司提供

提高三線電壓激勵(lì)RTD的精度

采用三線配置時(shí)，可以使用兩個(gè)匹配的電流源來(lái)消除線電阻誤差。那么電壓激勵(lì)的三線電阻溫度檢測(cè)器（RTD）呢？在這種情況下，有沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的方法可以完全消除線電阻誤差？我們上面討論過(guò)，電壓激勵(lì)的三線電路只能將線電阻誤差減半。我們可以使用下面（圖9）所示的修改后的圖表來(lái)消除線電阻誤差。

示例圖顯示了線電阻誤差的消除。

圖9 顯示消除線電阻錯(cuò)誤的示例圖。

在這種情況下，我們使用了一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，可以測(cè)量節(jié)點(diǎn)B和C的電壓。節(jié)點(diǎn)B的電壓由以下等式給出：

方程式1。

節(jié)點(diǎn)C的電壓為：

方程式2。

假設(shè)線電阻相同，我們可以得出Vwire3 = -Vwire1。因此，等式2簡(jiǎn)化為：

方程式3。

將方程1和方程3結(jié)合起來(lái)，我們得到：

如您所見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量VB和VC可以精確測(cè)量RTD上的電壓降。雖然這種技術(shù)可以補(bǔ)償導(dǎo)線電阻誤差，但它需要額外的硬件，增加了測(cè)量的復(fù)雜性。包含匹配電流源的ADC為消除導(dǎo)線電阻誤差提供了方便的解決方案。這就是在RTD應(yīng)用中，電流激勵(lì)比電壓激勵(lì)更常見(jiàn)的原因之一。