對(duì)于各種各樣的產(chǎn)品，制造過(guò)程需要高度精確和可靠的溫度測(cè)量技術(shù)。通常通過(guò)與傳感器直接接觸來(lái)測(cè)量溫度，例如通過(guò)將傳感器浸入到液體中或通過(guò)與機(jī)器的表面接觸來(lái)測(cè)量溫度。除熱敏電阻和熱電偶之外，由于其快速響應(yīng)時(shí)間和高達(dá)幾百?V/°C 的出色靈敏度，電阻溫度檢測(cè)器(RTD)尤其適用。它們也可用于–200°C 至+800°C 超寬范圍內(nèi)的測(cè)量，且具有近線性行為。RTD 提供多種版本，例如 2 線、3 線或 4 線版本，且具有高度應(yīng)用靈活性。

為了產(chǎn)生測(cè)量電壓，RTD 需要激勵(lì)電流。根據(jù) RTD 類(lèi)型，電壓電平從幾十到幾百 mV 不等。測(cè)量系統(tǒng)的精度不僅取決于溫度傳感器，還取決于選擇合適的測(cè)量?jī)x器、系統(tǒng)配置以及測(cè)量電路類(lèi)型。根據(jù)導(dǎo)線數(shù)量，RTD 傳感器可用于 2 線、3 線或 4 線測(cè)量電路。這些不同測(cè)量電路的對(duì)比如圖 1 所示。

在 2 線測(cè)量電路中，為 RTD 提供激勵(lì)電流(I)的兩根導(dǎo)線也用于測(cè)量傳感器電壓。由于傳感器電阻很低，即使是較低的導(dǎo)線電阻，RL 也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的測(cè)量不精確性。在 3 線或 4 線測(cè)量系統(tǒng)中，由于傳感器激勵(lì)通過(guò)單獨(dú)的導(dǎo)線發(fā)生，并且傳感器的測(cè)量導(dǎo)線直接放置在通常具有高阻抗的測(cè)量器件輸入端上，可最大限度降低此誤差。

遺憾的是，由于 RTD 上的壓降較低，信號(hào)非常容易受到噪聲的影響。因此，應(yīng)盡可能避免使用較長(zhǎng)的測(cè)量導(dǎo)線。可通過(guò)將電壓放大盡可能靠近信號(hào)源或 RTD 來(lái)降低噪聲。此外，具有良好信噪比(SNR)的敏感型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)適用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。ADI 公司的∑-Δ ADC，如 AD7124 系列，提供一款完成集成的 24 位、低噪聲模擬前端(AFE)，非常適合高精度測(cè)量應(yīng)用。輸入可以選擇性地配置為差分輸入或單端 / 偽差分輸入。AD7124 系列還集成了數(shù)字濾波器和可編程放大器級(jí)，使其非常適合低壓應(yīng)用。圖 2 所示電路為使用 AD7124 的 4 線測(cè)量配置示例。

圖 1. 2 線、3 線和 4 線測(cè)量對(duì)比

圖 2. 使用 AD7124 進(jìn)行 4 線 RTD 溫度測(cè)量配置

AD7124 上的模擬引腳 AIN2 和 AIN3 配置為差分輸入且用于測(cè)量 RTD 電壓。RTD 激勵(lì)電流從模擬電源電壓 AVDD 汲取，并通過(guò) AIN0 提供。激勵(lì)電流同時(shí)流過(guò)基準(zhǔn)電阻 RREF1，作為精密電阻工作，然后會(huì)導(dǎo)致通過(guò)基準(zhǔn)引腳 REFIN1(+)和 REFIN1(–)檢測(cè)到的壓降。所造成的壓降與 RTD 上的壓降成正比。此比率式配置確保激勵(lì)電流的變化對(duì)系統(tǒng)總體精度沒(méi)有影響。由于 ADC 的有源內(nèi)部模擬緩沖器，RREF2 會(huì)產(chǎn)生正常運(yùn)行所需的失調(diào)電壓。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，需要緩沖器對(duì)讀數(shù)進(jìn)行濾波，從而提供抗混疊特性并降低噪聲?；蛘?，也可以將所有模擬輸入和基準(zhǔn)輸入與分立 RC 濾波器相連。在使用 AD7124 開(kāi)始簡(jiǎn)單測(cè)量之前，校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)（零電平和滿量程校準(zhǔn)）可最大限度降低增益和偏置誤差。

結(jié)論

通過(guò) AD7124 系列等 AFE，可以相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn) RTD 溫度測(cè)量系統(tǒng)。它們提供非常好的高精度、低功耗和低噪聲組合，適用于高精度測(cè)量應(yīng)用和節(jié)能型便攜式設(shè)備。此外，這些 ADC 的集成度和靈活性簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)架構(gòu)，有助于縮短使用不同類(lèi)型傳感器的測(cè)量應(yīng)用（例如，溫度、電流、電壓等）的設(shè)計(jì)周期。