優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng)：接線方式

本系列文章分為三部分，討論了基于電阻溫度檢測器 (RTD) 的溫度測量系統(tǒng)的設計歷史和設計挑戰(zhàn)。在第一部分中，我們介紹了溫度測量挑戰(zhàn)、RTD 類型、不同配置以及 RTD 配置電路。在本文中，我們介紹了三種不同的 RTD 配置：2 線、3 線和 4 線。

4 線 RTD 連接圖

4 線 RTD 配置可提供最佳性能。與其他兩種配置相比，系統(tǒng)設計人員面臨的唯一問題是傳感器本身的成本和 4 針連接器的尺寸。在這種配置中，導線引起的誤差由返回線固有地消除。4 線配置使用開爾文感應，兩根導線將激勵電流傳送到 RTD 和從 RTD 傳送，而其余兩根導線感應 RTD 元件本身的電流。導線電阻引起的誤差固有地被消除。4 線配置只需要一個激勵電流 IOUT。ADC 的三個模擬引腳用于實現單個 4 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道(AINP 和 AINM)，用于感應 RTD 兩端的電壓。

當設計使用多個 4 線 RTD 時，可以使用單個激勵電流源，并將激勵電流導向系統(tǒng)中的不同 RTD。通過將參考電阻放置在 RTD 的低壓側，單個參考電阻可以支持所有 RTD 測量;也就是說，參考電阻由所有 RTD 共享。請注意，如果 ADC 的參考輸入具有寬共模范圍，則可以將參考電阻放置在高壓側或低壓側。因此，對于單個 4 線 RTD，可以使用高壓側或低壓側的參考電阻。但是，當在系統(tǒng)中使用多個 4 線 RTD 時，將參考電阻放置在低壓側是有利的，因為一個參考電阻可以由所有 RTD 共享。請注意，一些 ADC 包括參考緩沖器。這些緩沖器可能需要一些余量，因此，如果啟用了緩沖器，則需要一個余量電阻。啟用緩沖器意味著可以將更強大的濾波功能連接到參考引腳，而不會導致諸如 ADC 內的增益誤差之類的誤差。

2 線 RTD 連接圖

2 線 RTD 配置是最簡單的配置，對于 2 線配置，只需要一個激勵電流源。因此，ADC 的三個模擬引腳用于實現單個 2 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道 (AINP 和 AINM)，用于感測 RTD 兩端的電壓。當設計使用多個 2 線 RTD 時，可以使用單個激勵電流源，并將激勵電流導向系統(tǒng)中的不同 RTD。通過按照 4 線配置將參考電阻放置在 RTD 的低壓側，單個參考電阻可以支持所有 RTD 測量;也就是說，參考電阻由所有 RTD 共享。

2 線配置是三種不同接線配置中精度最低的一種，因為測量點的實際電阻包括傳感器和引線 RL1 和 RL2 的電阻，因此會增加 ADC 兩端的電壓測量值。如果傳感器位于遠端，且系統(tǒng)使用非常長的導線，則誤差會非常大。例如，25 英尺長的 24 AWG 銅線的等效電阻為 0.026 Ω/英尺 (0.08 Ω/米) × 2 × 25 英尺 = 1.3 Ω。因此，1.3 Ω 導線電阻會因導線電阻而產生 (1.3/0.385) = 3.38°C (大約) 的誤差。導線電阻也會隨溫度變化而變化，這會增加額外的誤差。

3 線 RTD 連接圖

通過使用 3 線 RTD 配置，可以顯著改善 2 線 RTD 配置中由于引線電阻而產生的顯著誤差。在本文中，我們使用第二個激勵電流來消除 RL1 和 RL2 產生的引線電阻誤差。因此，ADC 的四個模擬引腳用于實現單個 3 線 RTD 配置：兩個引腳用于激勵電流(IOUT0 和 IOUT1)，兩個引腳作為全差分輸入通道(AINP 和 AINM)，用于感測 RTD 兩端的電壓。

有兩種方法可以配置 3 線 RTD 電路。方法 1 將參考電阻放在頂部，這樣第一個激勵電流 IOUT0 流向 R REF，然后流向 RL1 ，再流向 RTD ，第二個電流流過 RL2 引線電阻并產生一個電壓，該電壓抵消了 RL1 引線電阻上的壓降。因此，匹配良好的激勵電流可以完全消除引線電阻引起的誤差。如果激勵電流存在一些不匹配，則使用此配置可以將不匹配的影響降到最低。相同的電流流向 RTD 和 R REF;因此，兩個 IOUT 之間的任何不匹配都只會影響引線電阻計算。此配置在測量單個 RTD 時很有用。

測量多個 3 線 RTD 時，建議在底部使用參考電阻(方法 2)，這樣只需使用一個參考電阻，即可將總成本降至最低。但是，在這種配置中，一個電流流過 RTD，而兩個電流都流過參考電阻。因此，IOUT 中的任何不匹配都會影響參考電壓的值以及引線電阻抵消。當存在激勵電流不匹配時，此配置的誤差將大于方法 1。有兩種可能的方法來校準 IOUT 之間的不匹配和不匹配漂移，從而提高第二種配置的準確性。第一種是通過斬波(交換)激勵電流進行校準，對每個相位進行測量，然后對兩個測量值取平均值。另一種解決方案是測量實際激勵電流本身，然后使用計算出的不匹配來補償微控制器中的不匹配。