優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng)：接線配置

    這個由三部分組成的系列文章討論了設(shè)計基于電阻溫度檢測器 (RTD) 的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計挑戰(zhàn)。在第 1 部分中，我們介紹了溫度測量挑戰(zhàn)、RTD 類型、不同配置和 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 配置可提供性能。與其他兩種配置相比，系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的問題是傳感器本身的成本以及 4 針連接器的尺寸。在這種配置中，由于引線引起的誤差由返回線固有地消除。4 線配置使用 Kelvin 傳感，通過兩條線將激勵電流傳送到 RTD 或從 RTD 傳出，而其余兩條線則感測流過 RTD 元件本身的電流。由于引線電阻引起的錯誤已被固有地消除。4 線配置僅需要一個激勵電流 IOUT，如圖 1 所示。ADC 的三個模擬引腳用于實現(xiàn)單個 4 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT，
      圖 1. 單個和多個 4 線 RTD 模擬輸入配置測量。（：Analog Devices）
    當(dāng)設(shè)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引導(dǎo)至系統(tǒng)中的不同 RTD。通過將參考電阻放置在 RTD 的低端，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，則參考電阻可以放置在高側(cè)或低側(cè)。因此，對于單個 4 線 RTD，可以使用高側(cè)或低側(cè)的參考電阻。然而，當(dāng)在一個系統(tǒng)中使用多個 4 線 RTD 時，將參考電阻器放在低側(cè)是有利的，因為一個參考電阻器可以由所有 RTD 共享。請注意，某些 ADC 包含參考緩沖器。這些緩沖區(qū)可能需要一些凈空，因此，如果啟用緩沖器，則需要一個凈空電阻。啟用緩沖器意味著可以將更穩(wěn)健的濾波連接到參考引腳，而不會導(dǎo)致錯誤，例如 ADC 內(nèi)的增益錯誤。
    2 線 RTD 配置是簡單的配置，如圖 2 所示。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(xiàn)單個 2 線 RTD 配置：一個引腳用于激勵電流 IOUT，兩個引腳用作全差分輸入通道（AINP 和 AINM），用于檢測 RTD 兩端的電壓. 當(dāng)設(shè)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引導(dǎo)至系統(tǒng)中的不同 RTD。按照 4 線配置將參考電阻器放置在 RTD 的低側(cè)，單個參考電阻器可以支持所有 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的，因為測量點的實際電阻包括傳感器的電阻以及引線 RL1 和 RL2 的電阻，從而增加了 ADC 上的電壓測量值。如果傳感器是遠(yuǎn)程的并且系統(tǒng)使用很長的電線，那么誤差將會很大。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 英尺等于 1.3 Ω。因此，1.3 Ω 的導(dǎo)線電阻會由于導(dǎo)線電阻而產(chǎn)生 (1.3/0.385) = 3.38°C（大約）的誤差。導(dǎo)線電阻也隨溫度變化，這會增加額外的誤差。
    使用 3 線 RTD 配置可以顯著改善 2 線 RTD 配置的引線電阻引起的顯著誤差。在本文中，我們使用第二個激勵電流（如圖 3 所示）來抵消 RL1 和 RL2 產(chǎn)生的引線電阻誤差。因此，ADC 的四個模擬引腳用于實現(xiàn)單個 3 線 RTD 配置：兩個引腳用于激勵電流（IOUT0 和 IOUT1），兩個引腳用作全差分輸入通道（AINP 和 AINM）用于檢測兩端的電壓熱電阻。
    有兩種配置 3 線 RTD 電路的方法。方法 1 將參考電阻器放在頂部，因此個激勵電流 IOUT0 流向 R REF、 RL1，然后流向 RTD，第二個電流流過 RL2 引線電阻并產(chǎn)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由于引線電阻引起的誤差。如果激勵電流有一些不匹配，則使用此配置可將不匹配的影響降至。相同的電流流向 RTD 和 R REF；因此，兩個 IOUT 之間的任何不匹配只會影響引線電阻的計算。此配置在測量單個 RTD 時很有用。
    測量多個 3 線 RTD 時，建議在底部使用一個參考電阻（方法 2），這樣就可以只使用一個參考電阻，從而限度地降低總體成本。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值以及引線電阻抵消。當(dāng)存在激勵電流失配時，這種配置會比方法 1 有更大的誤差。有兩種可能的方法來校準(zhǔn) IOUT 之間的失配和失配漂移，從而提高第二種配置的精度。首先是通過斬波（交換）激勵電流進(jìn)行校準(zhǔn)，對每個相位進(jìn)行測量，然后對兩次測量進(jìn)行平均。另一種解決方案是測量實際激勵電流本身，然后使用計算出的失配來補償微控制器中的失配。