RTD測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響

這篇文章提供了對范例式集成比例型三線RTD測量系統(tǒng)的分析，以便了解誤差的來源，包括勵磁電流失配產(chǎn)生的影響。

集成式RTD測量電路

典型的集成式RTD測量解決方案包括勵磁電流、增益級、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和其它有用的功能，如開路傳感器檢測功能。與分立式系統(tǒng)相比，這些解決方案不僅可以大大簡化設(shè)計，同時還能實現(xiàn)高準(zhǔn)確度。

具有24位Δ-Σ型ADC是整合了好幾種功能，以方便溫度測量應(yīng)用的設(shè)計，ADC現(xiàn)代集成式解決方案的一個例子是ADS1220。在這種集成式解決方案中，用來控制勵磁電流的是電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，也被稱為集成式DAC(IDAC)。為使IDAC到電阻式溫度檢測器RTD電路的布線更容易，該解決方案還包括一個多路復(fù)用器。最后，用可編程增益放大器(PGA)來提高RTD系統(tǒng)的電壓分辨率。圖1展示了使用集成式ADC解決方案的簡化電路原理圖。

RTD測量系統(tǒng)中誤差的來源

不管解決方案是集成式的還是分立內(nèi)置式的，三線比例型RTD測量電路中的誤差源都相同。來自勵磁電流大小的誤差可以在比例測量中被消除。然而，由兩種勵磁電流的初始失配和溫度漂移引起的誤差卻能產(chǎn)生增益誤差。來自輸入增益級、ADC和RREF公差的誤差也可在最終測量結(jié)果中引起誤差。這些誤差會在最終測量結(jié)果里以偏移、增益或線性誤差的形式出現(xiàn)。

表1列出了能影響RTD測量的ADC誤差源。

表1：

由于到ADC的輸入是電壓，所以積分非線性(INL)誤差、增益誤差和IDAC失配誤差必須被轉(zhuǎn)換為輸入相關(guān)電壓。表2和表3詮釋了一個范例式系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來計算作為輸入相關(guān)電壓的誤差。選擇電路的值超出了這些規(guī)定的范圍，這些在TI的參考設(shè)計TIPD120中得到了詳細(xì)的說明。

表2：范例式Pt100技術(shù)規(guī)格

表3：TIPD120的比例型電路配置

使用表3中的范例式電路配置，現(xiàn)在可認(rèn)為誤差源與輸入相關(guān)，并可將誤差源與RTD電壓最大值(0.39048V)相比較。

PGA會產(chǎn)生輸入相關(guān)偏移電壓誤差 —— 該誤差可直接用于總誤差計算。

明確規(guī)定增益誤差要用滿量程范圍的百分率(也稱為%FSR)表示。可通過方程式(2)增益誤差乘以RTD輸入電壓最大值來計算出輸入相關(guān)電壓誤差。

明確規(guī)定INL要用ADC滿量程范圍的百萬分率(ppm)表示。INL不是增益誤差。因此，必須讓它乘以ADC的滿量程輸入電壓，而不是RTD電壓最大值。用方程式(3)可計算出該配置中的滿量程輸入，用方程式(4)則可計算出輸入相關(guān)INL誤差。

明確規(guī)定IDAC失配要用%FSR表示。因此，可計算增益誤差及產(chǎn)生的輸入相關(guān)電壓誤差。這在下面的方程式(5)和方程式(6)中進(jìn)行了展示。

來自RREF公差的誤差

最后一個重要的誤差源是RREF的公差，它會在ADC傳遞函數(shù)中產(chǎn)生增益誤差。憑借用來計算IDAC失配增益誤差的相同方法也可計算出RREF引起的增益誤差。方程式(7)展示了最終結(jié)果。

假設(shè)RREF公差被明確規(guī)定為0.05%，那么按方程式(8)所示可計算出增益誤差。用方程式(9)則可計算出輸入相關(guān)誤差。

在室溫(TA = 25°C)下的總誤差

表4列出了這個比例型三線RTD系統(tǒng)在環(huán)境溫度(TA)為25°C時所有誤差的匯總。使用輸入相關(guān)誤差電壓的平方和根值(RSS)可計算出最大或然誤差。IDAC失配在總或然誤差中所占比例大約為95%。

用方程式(10)可計算出總誤差。

表4：所有誤差的匯總

方程式(11)和方程式(12)展示了如何把表4中的總電壓誤差轉(zhuǎn)換為以歐姆為單位的誤差，并最終轉(zhuǎn)換為以攝氏度為單位的誤差。借助Pt100 RTD的靈敏度α，按IEC-60751標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的，能把以歐姆為單位的誤差轉(zhuǎn)換為以攝氏度為單位的溫度誤差。

漂移誤差(TA = -40°C至85°C)

標(biāo)準(zhǔn)室溫校準(zhǔn)技術(shù)可用來從系統(tǒng)中消除增益和偏移誤差，只留下線性誤差。但除非進(jìn)行了過溫校準(zhǔn)，否則溫度漂移技術(shù)規(guī)格仍會造成誤差。

表5展示了ADC的溫度漂移技術(shù)規(guī)格。在工作溫度范圍內(nèi)，IDAC電流的溫度漂移是最大的誤差源。可通過技術(shù)消除IDAC失配漂移。但是，偏移和增益誤差漂移仍會存在，除非進(jìn)行了過溫校準(zhǔn)。

表5：-40°C至85°C溫度范圍內(nèi)所有溫度漂移誤差的匯總

總漂移誤差主要是因IDAC失配漂移引起的;在-40°C至85°C的系統(tǒng)工作溫度范圍內(nèi)，總漂移誤差還會另外產(chǎn)生±0.306℃的溫度誤差。

總結(jié)

在這部分，我們基于ADC的技術(shù)規(guī)格和外部組件分析了范例式比例型三線RTD測量系統(tǒng)的誤差。雖然比例型系統(tǒng)可從IDAC源的絕對值中消除誤差，但I(xiàn)DAC之間的任何失配和失配漂移均能產(chǎn)生誤差。在許多情況下，IDAC失配都是最大的誤差源。此外，IDAC失配漂移還是過溫誤差的最大促成因素。

之后我們將討論各種選項，以減少或消除由IDAC失配和失配漂移引起的誤差，只留下來自ADC的增益誤差、偏移電壓和INL誤差。