RTD傳感器信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)介

了解用于RTD應(yīng)用的不同信號(hào)調(diào)理電路的基礎(chǔ)知識(shí)，包括分壓器、惠斯通電橋電路和ΔΣ轉(zhuǎn)換器。

在本系列的前幾篇文章中，我們討論了電阻溫度檢測(cè)器（RTD）的基本原理以及它們的響應(yīng)特征。本文將討論RTD應(yīng)用中不同信號(hào)調(diào)理電路的基礎(chǔ)知識(shí)。

使用分壓器進(jìn)行RTD測(cè)量

可以使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器將RTD電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖1顯示了鉑RTD的典型電路圖。圖中的Pt1000表示鉑RTD，在0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻為1000Ω。

鉑電阻溫度檢測(cè)器（RTD）的電路圖示例。

圖1. 鉑電阻溫度檢測(cè)器電路圖示例。

與大多數(shù)電阻式傳感器一樣，RTD傳感器在測(cè)量物理量變化時(shí)的響應(yīng)變化相對(duì)較小。考慮到這一點(diǎn)，Pt1000的溫度系數(shù)約為3.85Ω/°C。讓我們看看節(jié)點(diǎn)A的電壓變化有多大。

假設(shè)我們需要以0.2°C的分辨率測(cè)量溫度，這可能是一個(gè)相對(duì)苛刻的要求。如果溫度從0°C變化到0.2°C，傳感器電阻將從1000Ω增加到1000.77Ω。因此，節(jié)點(diǎn)A的電壓將從1.5V變化到1.500577V，計(jì)算如下：

因此，溫度變化0.2℃會(huì)使節(jié)點(diǎn)A的電壓變化約577μV。我們可以直接測(cè)量VA以確定RTD電阻值和溫度；但是，我們的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的分辨率，以檢測(cè)1.5V信號(hào)中毫伏級(jí)的變化。將1.5V除以所需的最小步長(zhǎng)（577μV），我們可以估算出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無(wú)噪聲計(jì)數(shù)，結(jié)果為：

這相當(dāng)于無(wú)噪聲分辨率約為log2(2600) = 11.34位。請(qǐng)注意，這僅給出了A/D分辨率的近似值。實(shí)際要求更為嚴(yán)格，并且取決于溫度計(jì)設(shè)計(jì)的溫度范圍。此外，我們模擬的RTD具有3.85Ω/°C的恒定溫度系數(shù)，而RTD實(shí)際上是非線性設(shè)備。

當(dāng)今的ΔΣ轉(zhuǎn)換器可以輕松實(shí)現(xiàn)11位無(wú)噪聲分辨率。因此，我們可以使用圖1中的電路以及ΔΣ轉(zhuǎn)換器直接對(duì)RTD上的電壓進(jìn)行數(shù)字化。

然而，幾十年前，這種高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器既不可用也不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；電路設(shè)計(jì)人員使用諸如惠斯通電橋電路等技術(shù)進(jìn)行RTD測(cè)量。雖然電橋電路在其他領(lǐng)域（如力和壓力傳感應(yīng)用）仍被廣泛使用，但很少用于RTD測(cè)量。盡管如此，為了完整性，我們將在下面簡(jiǎn)要討論電橋電路如何放寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求。

傳統(tǒng)方法：使用惠斯通電橋進(jìn)行Pt1000測(cè)量

圖2顯示了用于Pt1000測(cè)量的基本惠斯通電橋。

pt1000的惠斯通電橋測(cè)量示例。

圖2:Pt1000的惠斯通電橋測(cè)量示例。

輸出電壓是兩個(gè)分支之間的電壓差。實(shí)際上，橋式電路將單端測(cè)量從簡(jiǎn)單的分壓器分支轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘譁y(cè)量。在這種情況下，當(dāng)電橋平衡時(shí)（在0°C時(shí)），輸出為0 V。如果溫度增加0.2°C，輸出將增加到577 μV，計(jì)算如下：

在這種情況下，反映RTD電阻變化的所需信號(hào)并不疊加在較大的直流信號(hào)上。輸出僅包含我們想要測(cè)量的信號(hào)。為了確定ADC的無(wú)噪聲分辨率，我們應(yīng)該考慮溫度計(jì)整個(gè)溫度范圍內(nèi)VOUT的最大值和最小值。假設(shè)我們需要測(cè)量-40°C至150°C的范圍。在此溫度范圍內(nèi)，RTD電阻從842.47Ω變化到1573.25Ω。我們可以利用這些信息來(lái)確定VOUT的最大值和最小值，如下表1所示：

表1。

由于應(yīng)檢測(cè)的最小變化為577 μV，因此系統(tǒng)的無(wú)噪聲計(jì)數(shù)可按以下公式計(jì)算：

這相當(dāng)于無(wú)噪聲分辨率為9.65位。正如您所看到的，對(duì)于基于電橋的測(cè)量的整個(gè)190°C溫度范圍獲得的ADC分辨率仍然比對(duì)于分壓器方法的單次測(cè)量獲得的分辨率更加寬松。

RTD應(yīng)用的橋式電路限制

雖然橋式電路可以降低ADC的要求，但這種方法有一些缺點(diǎn)。橋式電路的輸出取決于橋式配置中使用的電阻值。這一限制是為什么需要三個(gè)精密電阻來(lái)完成橋式電路的原因。除了這一點(diǎn)，具有單個(gè)傳感元件的橋式電路是非線性的。因此，除了RTD的非線性外，設(shè)計(jì)人員還必須補(bǔ)償橋式電路的非線性響應(yīng)?？梢允褂密浖蚰M技術(shù)來(lái)線性化橋式電路，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在使用橋式電路時(shí)，我們還需要具有大共模抑制比的儀表放大器，它可以提供高且相等的輸入阻抗。

由于這些限制，并且注意到現(xiàn)代delta-sigma轉(zhuǎn)換器可以輕松滿足并擊敗RTD應(yīng)用的要求，電路設(shè)計(jì)人員通常不會(huì)使用橋式電路進(jìn)行RTD測(cè)量。

使用Δ-Σ轉(zhuǎn)換器的RTD傳感器測(cè)量

圖3顯示了RTD傳感器與ΔΣ ADC接口的簡(jiǎn)化圖。

與RTD傳感器和ΔΣ ADC接口的簡(jiǎn)化圖

圖3. RTD傳感器和ΔΣ ADC接口的簡(jiǎn)化圖

使用22位ADC和3V參考電壓時(shí)，LSB（最低有效位）等于

  $\frac{3}{2^{22}}\approx 0.72\mu V$

使用這些高分辨率ADC，最小可檢測(cè)信號(hào)通常受ADC內(nèi)部電子噪聲（例如內(nèi)部電路產(chǎn)生的熱噪聲和閃爍噪聲）的限制，而不是ADC的量化噪聲。如果您需要了解ΔΣ ADC的噪聲性能，可以參考德州儀器（Texas Instruments）的這篇由十二部分組成的優(yōu)秀文章系列。

ΔΣ ADC的峰對(duì)峰輸入相關(guān)噪聲可能達(dá)到微伏級(jí)或更低。假設(shè)ADC的輸入相關(guān)噪聲為3 μVp-p。對(duì)于圖3中的電路，我們可以找到RTD電壓Vrtd的最大值和最小值，如下表2所示：

表2。

利用這些信息，我們可以計(jì)算出-40°C至150°C溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)的無(wú)噪聲計(jì)數(shù)，如下所示：

將溫度范圍除以無(wú)噪聲計(jì)數(shù)，我們就可以得到溫度測(cè)量的分辨率：

雖然這種精度水平實(shí)際上令人興奮，但應(yīng)注意，其他幾個(gè)誤差源阻礙了我們實(shí)現(xiàn)如此高的性能。R1的初始容差和溫度漂移以及ADC偏移電壓和偏移漂移就是這些誤差源中的幾個(gè)。然而，上述計(jì)算證實(shí)，現(xiàn)代ADC的噪聲性能和分辨率足以進(jìn)行精確測(cè)溫；但是，設(shè)計(jì)人員需要消除其他主要誤差因素以保持系統(tǒng)精度。

請(qǐng)注意，在上述示例中，為偏置電阻器R1選擇了一個(gè)相對(duì)較小的值。實(shí)際上，可能需要一個(gè)較大的電阻器來(lái)限制RTD自熱效應(yīng)。

RTD應(yīng)用的比率測(cè)量

雖然本文中的不同圖表使用電壓源來(lái)激勵(lì)RTD，但許多RTD應(yīng)用使用電流源進(jìn)行傳感器激勵(lì)。此外，RTD應(yīng)用通常從激勵(lì)傳感器的同一源獲取ADC參考電壓。這種技術(shù)稱為比率測(cè)量，可最大限度地減少由傳感器激勵(lì)源或ADC電壓參考中的不期望變化引起的誤差。在下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論并了解RTD應(yīng)用如何從比率測(cè)量中受益。