RTD測量系統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測量系統的分析，以便了解誤差的來源，包括勵磁電流失配產生的影響。

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、模數轉換器(ADC)和其它有用的功能，如開路傳感器檢測功能。與分立式系統相比，這些解決方案不僅可以大大簡化設計，同時還能實現高準確度。

具有24位Δ-Σ型ADC是整合了好幾種功能，以方便溫度測量應用的設計，ADC現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模轉換器(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用器。最后，用可編程增益放大器(PGA)來提高RTD系統的電壓分辨率。圖1展示了使用集成式ADC解決方案的簡化電路原理圖。

RTD測量系統中誤差的來源

不管解決方案是集成式的還是分立內置式的，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果中引起誤差。這些誤差會在最終測量結果里以偏移、增益或線性誤差的形式出現。

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失配誤差必須被轉換為輸入相關電壓。表2和表3詮釋了一個范例式系統。該系統用來計算作為輸入相關電壓的誤差。選擇電路的值超出了這些規(guī)定的范圍，這些在TI的參考設計TIPD120中得到了詳細的說明。

表2：范例式Pt100技術規(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，現在可認為誤差源與輸入相關，并可將誤差源與RTD電壓最大值(0.39048V)相比較。

PGA會產生輸入相關偏移電壓誤差 —— 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?？赏ㄟ^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生的輸入相關電壓誤差。這在下面的方程式(5)和方程式(6)中進行了展示。

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傳遞函數中產生增益誤差。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)展示了最終結果。

假設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系統在環(huán)境溫度(TA)為25°C時所有誤差的匯總。使用輸入相關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中的總電壓誤差轉換為以歐姆為單位的誤差，并最終轉換為以攝氏度為單位的誤差。借助Pt100 RTD的靈敏度α，按IEC-60751標準所規(guī)定的，能把以歐姆為單位的誤差轉換為以攝氏度為單位的溫度誤差。

漂移誤差(TA = -40°C至85°C)

標準室溫校準技術可用來從系統中消除增益和偏移誤差，只留下線性誤差。但除非進行了過溫校準，否則溫度漂移技術規(guī)格仍會造成誤差。

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

表5：-40°C至85°C溫度范圍內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的系統工作溫度范圍內，總漂移誤差還會另外產生±0.306℃的溫度誤差。

總結

在這部分，我們基于ADC的技術規(guī)格和外部組件分析了范例式比例型三線RTD測量系統的誤差。雖然比例型系統可從IDAC源的絕對值中消除誤差，但IDAC之間的任何失配和失配漂移均能產生誤差。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。