示例集成比例式三线RTD测量系统分析

在第 1 部分中，我们介绍了三线 RTD、引线电阻消除以及设计比例式三线 RTD 系统的好处。我们表明，虽然比率 RTD 配置消除了激励电流初始精度的误差，但两个激励电流之间的不匹配仍然会导致增益误差。

在第 2 部分中，我们对示例集成比例式三线 RTD 测量系统进行了分析，以了解误差源，包括激励电流失配的影响。

集成 RTD 测量电路

典型的集成 RTD 测量解决方案包括激励电流、增益级、模数转换器 （ADC） 和其他有用的功能，例如传感器开路检测。与分立系统相比，这些解决方案大大简化了设计，同时实现了高精度。

ADS1220是具有 24 位 delta-sigma ADC 的现代集成解决方案的一个示例，该解决方案包含多种功能以促进温度测量应用的设计。在这个集成解决方案中，激励电流由电流输出数模转换器 （DAC） 控制，也称为集成 DAC （IDAC）。包含一个多路复用器，以便更轻松地将 IDAC 路由到电阻温度检测器 RTD 电路。最后，使用可编程增益放大器 （PGA） 来提高 RTD 系统的电压分辨率。图 1 显示了使用集成 ADC 解决方案的简化电路原理图。

图 1：集成比例式三线 RTD 测量电路。

RTD 测量系统中的误差源

无论解决方案是集成的还是离散构建的，三线比率 RTD 测量电路中的误差源都是相同的。如第 1 部分所示，在比率测量中消除了励磁电流幅度的误差。然而，由于两个激励电流的初始失配和温度漂移导致的误差会导致增益误差。来自输入增益级、ADC 和 R REF容差的误差也会导致最终测量结果出现误差。这些误差在最终测量结果中显示为偏移、增益或线性误差。

表 1 列出了影响 RTD 测量的 ADC 误差源。

表格1：

由于 ADC 的输入是电压，因此积分非线性 （INL）、增益误差和 IDAC 失配误差也必须转换为输入参考电压。表 2 和表 3 中定义了一个示例系统。该系统用于计算误差作为输入参考电压。选择电路值超出了这些文章的范围，但在 TI 的参考设计TIPD120中有详细描述。

表 2： Pt100 规格示例。

表 3： TIPD120 的比例电路配置。

使用表 3 中的示例电路配置，现在误差源可以参考输入，并与最大 RTD 电压（0.39048 V）进行比较。

PGA 产生一个输入参考失调电压误差，可直接用于总误差计算。

增益误差指定为满量程范围的百分比，也称为 %FSR。输入参考电压误差可以通过将增益误差乘以最大 RTD 输入电压来计算，公式 （2）。

INL 以 ADC 满量程范围的百万分率 （ppm） 为单位。INL 不是增益误差。因此，它必须乘以 ADC 的满量程输入电压，而不是最大 RTD 电压。此配置中的满量程输入在等式 （3） 中给出，输入参考 INL 误差在等式 （4） 中计算。

IDAC 不匹配在 %FSR 中指定。因此，可以使用第 1 部分中的公式 （15） 计算增益误差和由此产生的输入参考电压误差。公式 （5） 和 （6） 中显示了这一点。

来自 R REF容差的误差

最后一个重要的误差源是 R REF的容差，它会在 ADC 传递函数中产生增益误差。可以使用与计算 IDAC 失配增益误差相同的方法来计算由 R REF引起的增益误差。最终结果如等式（7）所示。

假设 R REF容差指定为 0.05%，则增益误差的计算如公式 （8） 所示。输入参考误差在等式 （9） 中计算。

室温下的总误差 （T A = 25 °C）

表 4 列出了该比例式三线 RTD 系统在 25 °C 环境温度 （T A ） 下的所有误差摘要。可以使用输入参考误差电压的平方根 （RSS） 来计算可能的最大误差。IDAC 失配占可能的总误差的大约 95%。

总误差在等式 （10） 中计算。

表 4：所有错误的总结。

等式 （11） 和 （12） 显示了如何将表 4 中的总电压误差转换为欧姆，并最终转换为摄氏度。使用 IEC-60751 定义的 Pt100 RTD 的灵敏度 α 将欧姆误差转换为温度。

漂移误差（T A = -40 °C 至 85 °C）

如第 1 部分所述，标准室温校准技术可用于消除系统的增益和偏移误差，只留下线性误差。但是，除非执行过温校准，否则温度漂移规格仍然会导致错误。

表 5 显示了 ADC 温度漂移规范。IDAC 电流的温度漂移是随温度变化的最大误差源。IDAC 失配漂移可以通过我们将在第 3 部分中介绍的技术消除。但是，除非执行过温校准，否则失调和增益误差漂移仍然存在。

表 5： -40 °C 至 85 °C 温度跨度的所有温度漂移误差汇总。

在系统的 -40 °C 至 85 °C 工作温度范围内，总漂移误差会导致额外的 ±0.306 °C 温度误差，这主要是由于 IDAC 失配漂移所致。

概括

在第 2 部分中，我们根据 ADC 的规格和外部组件分析了示例比例式三线 RTD 测量系统的误差。虽然比率系统从 IDAC 源的绝对值中消除误差，但 IDAC 之间的任何失配和失配漂移都会导致错误。在许多情况下，如此处所示，IDAC 失配是最大的误差源。此外，IDAC 失配漂移是造成过热误差的最大因素。

在第 3 部分中，我们将讨论减少或消除由 IDAC 失配和失配漂移引起的误差的选项，只留下 ADC 的增益误差、失调电压和 INL 误差。

作者：Collin Wells ，Ryan Andrews

审核编辑：郭婷