常用的3线和4线电阻温度检测器介绍

可用于温度测量系统的温度传感器器。取决于测量的温度范围和所需的精度。温度测量系统的精度取决于传感器和传感器接口的模数转换器(ADC)的性能。在许多情况下，传感器的信号范围非常小，因此需要高分辨率ADC。Σ-Δ型ADC适用于这些系统的高分辨率装置。该片还嵌入了温度测量系统所需的其他电路，如激励电流和基准电压缓冲器。本文介绍了常用的三线和四线电阻温度检测器(RTD)，传感器和ADC对接口所需的电路进行说明ADC性能要求。

RTD

RTD适合测量–200°C至 800°C这些度范围内，这些设备的响应接近线性。RTD镍、铜、铂是典型元素，1000 Ω和1000 Ω铂制RTD最为常见。RTD有二线、三线或四线形式，其中三线和四线形式最为常用。RTD无源传感器需要激励电流来产生输出电压。RTD输出电平从几十毫伏到几百毫伏不等，取决于所选RTD。

3线RTD接口和构建模块

图1显示三线RTD系统。AD7124-4/AD7124-8包括系统所需的所有构建模块。需要两个完美匹配的电流源个完美匹配的电流源。这两个电流源用于抵消RTD的RL1和RL2引线电阻误差。通过精确基准电阻的激励电流RREF和RTD。另一个电流流过引线电阻RL2.产生的电压和RL1上压降相抵消。精密基准电阻上产生的电压用作ADC的基准电压REFIN1(±)。使用激励电流产生基准电压和RTD因此，电流源的精度、失配和失配漂移ADC整体传输函数的影响很小。AD7124-4/AD7124-8允许用户选择激励电流值来调整系统ADC大部分输入范围，提高性能。

图1. 3线RTD温度测量系统

图2. 3线RTD温度测量系统

RTD为了使用，需要放大低电平输出电压ADC大部分输入范围。AD7124-4/AD7124-8的PGA可设置1-128的增益，允许用户选择激励电流值和增益与性能。抗混叠和EMC目的，传感器和ADC之间需要滤波。基准电压缓冲器支持无限滤波器R、C这些元件不会影响测量精度。系统还需要校准以消除增益和失衡误差。图2显示3线B级RTD实施内部零电平和满量程校准后的测量温度误差远小于±1°C。

放置精密基准电压RTD高端配置非常适合单个配置RTD系统。需要多个RTD精确基准电阻应放置在低端，以便所有RTD传感器共用该基准电阻。针对这种方案，激励电流的匹配和匹配漂移性能必须更好。有两种技术可用来降低激励电流源失配引起的误差：

1. 利用AD7124-4/AD交叉多路复用器功能，7124-8，精确基准电阻和ADC测量这两个电流的内部低漂移基准电压源。

2. 执行系统切波，这些电流交换到RTD两个结果的平均值用于温度的整体计算。

图3. 4线RTD温度测量系统

4线RTD接口和构建模块

4线RTD测量只需要一个激励电流源。图3显示4线RTD系统。像3线RTD与系统相同，使用的基准输入为REFIN1(±)，为了支持不受限制的抗混叠或EMC滤波。流经RTD精确基准电阻的电流也会流过RREF，其用于产生ADC基准电压。这种配置导致基准电压和RTD电压之间的比例关系。激励电流值的波动不会影响系统的整体精度。图4显示了线B级RTD实施内部零电平和满量程校准后的测量RTD温度误差。类似于三线配置，记录的总误差远小于±1°C。

图4. 4线RTD温度测量系统

ADC要求

温度测量系统主要是低速测量(最高速度通常是每秒100次采样)。因此，该系统需要低带宽ADC，但ADC必须有高分辨率。Σ-Δ型ADC适用于此类应用，因为使用Σ-Δ低带宽、高分辨率的结构可以开发ADC。

采用Σ-Δ对于模拟输入连续采样，采样频率远高于目标频段。它还使用噪声整形手术将噪声推到目标频段以外，进入转换过程中未使用的区域，从而进一步降低目标频段中的噪声。数字滤波器会衰减目标频段以外的任何信号。

数字滤波器在采样频率和采样频率的倍数处有镜像，因此需要一些外部抗混叠滤波器。然而，由于采样过多，一个简单的阶段RC滤波器足以满足大多数应用程序的要求。Σ-Δ架构允许24位ADC实现最高达21.峰值分辨率7位(21.7个稳定或无闪烁位)。

滤波(50 Hz/60 Hz抑制)

除上述抑制噪声外，数字滤波器还用于提供50 Hz/60 Hz抑制。系统采用主电源供电时，会发生50 Hz或60 Hz干扰。产生50个主电源 Hz及其倍数(欧洲)和60 Hz以及倍数(美国)的噪声。低带宽ADC主要使用sinc滤波器可设置50个陷波频率 Hz和/或60 Hz提供50倍数 Hz/60 Hz抑制其倍数。如今，越来越多的人要求使用建立时间短的滤波器提供50 Hz/60 Hz抑制。在多通道系统中，ADC对所有使能通道进行顺序处理，个通道上产生转换结果。选择通道后，滤波器需要建立时间来产生有效的转换结果。如果建立时间缩短，可以增加给定时间内转换的通道数。AD7124-4/AD7124-8后置滤波器或FIR可提供50个滤波器 Hz/60 Hz同时抑制，其建立时间比sinc3或sinc滤波器要短。图5显示了一个41的数字滤波器选项.53 ms，并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同时抑制。

其它ADC要求

功耗

该系统的功耗取决于最终应用。包括传感器、ADC和微控制器在内的整个温度系统都位于一块采用4 mA至20 mA独立电路板上的环路供电。因此，独立电路板的最大电流预算为4 mA。在便携式设备中，如用于分析矿山中气体的气体分析仪，必须与气体分析一起进行温度测量。该系统采用电池供电，其设计目标是使电池使用寿命最长。在这些应用中，低功耗非常重要，高性能仍然需要。允许系统在过程控制应用中消耗更多的电流。对于这类应用，设计要求可能是在一定时间内处理更多的通道，同时仍然达到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三种功耗模式，用户可以在一个寄存器中选择两个。选定的功耗模式决定了片中模拟模块消耗的输出数据速率的范围和电流。因此，对于环路供电或电池供电系统，该设备可以在中功耗或低功耗模式下工作。该装置可以在全功率模式下工作，通过消耗更多的电流来提高性能。

诊断

诊断在工业应用中越来越重要。典型的诊断要求包括：

X 监控电源/基准电压/模拟输入

X 开路检测

X 转换/校准检查

X 信号链功能检查

X 读/写监控

X 寄存器内容监控

对于用于故障安全应用的系统，电影中的诊断功能可以节省客户的设计时间、外部元件、电路板空间和成本。AD7124-4/AD上述诊断特征包括7124-8等器件。根据IEC 61508、典型温度应用的故障模式影响及诊断分析(FMEDA)表示安全失效率(SFF)大于90%。一般需要两个传统ADC要达到这个水平。

图5. 后滤波器频率响应；25 sps，a) DC至600 Hz，b) 40 Hz至70 Hz

结论

温度测量系统对ADC对系统的要求很高。这些传感器产生的模拟信号非常弱，必须通过增益级放大，增益级的噪声必须非常低，以确保其不会淹没传感器的信号。放大器之后需接一个高分辨率ADC，将传感器的低电平信号转换为数字信息。采用Σ-Δ架构的ADC由于该结构可以开发出高分辨率、高精度的应用、高精度ADC。除了ADC除了增益级，温度测量系统还需要激励电流和基准电压缓冲器等其他元件。最后，最终应用程序决定了系统可以消耗的电流预算。便携式或环路供电系统必须使用低功耗设备，加上故障安全系统的冗余，每个设备的功耗将进一步降低。在更高的吞吐率下，输入模块等系统需要达到一定的性能水平，导致通道密度增加。使用具有多种功耗模式的设备可以减轻用户的负担ADC可用于各种终端系统，从而缩短设计时间。