作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

本文討論了設計基于電阻溫度檢測器（RTD）的溫度測量系統的歷史和設計挑戰。它還涵蓋了RTD選擇和配置權衡。最后，詳細介紹了RTD系統的優化和評估。

為什么RTD溫度測量很重要？

溫度測量在許多不同的終端應用中發揮著重要作用，例如工業自動化、儀器儀表、CbM 和醫療設備。無論是監測環境條件還是校正系統漂移性能，高精度和精密度都非常重要。可以使用幾種類型的溫度傳感器，例如熱電偶、電阻溫度檢測器 （RTD）、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。與設計一起選擇的溫度傳感器取決于被測溫度范圍和所需的精度。對于 –200°C 至 +850°C 范圍內的溫度，RTD 提供了高精度和良好穩定性的出色組合。

溫度測量面臨的主要挑戰是什么？

挑戰包括

電流和電壓選擇。RTD傳感器是一種無源器件，不會自行產生電輸出。激勵電流或電壓用于通過小電流通過傳感器以產生電壓來測量傳感器的電阻。如何選擇電流/電壓？

2 線、3 線或 4 線是我設計的最佳選擇嗎？

RTD信號應該如何調理？

如何調整上述變量，以便轉換器或其他構建塊在其規范范圍內使用？

連接系統中的多個 RTD——傳感器是如何連接的？某些塊可以在不同的傳感器之間共享嗎？對整體系統性能有何影響？

我的設計的預期誤差是多少？

RTD 選擇指南

即熱電阻概述

對于RTD，傳感器的電阻以精確定義的方式隨溫度變化。使用最廣泛的RTD是鉑Pt100和Pt1000，它們有2線、3線和4線配置。其他RTD類型由鎳和銅制成。

RTD 類型	材料	范圍
Pt100， Pt1000	鉑（數字為0°C時的電阻）	–200°C 至 +850°C
Pt200， Pt500	鉑（數字為0°C時的電阻）	–200°C 至 +850°C
銅10， 銅100	銅（數字為0°C時的電阻）	–100°C 至 +260°C
鎳120	鎳（數字為0°C時的電阻）	–80°C 至 +260°C

最常見的 Pt100 RTD 可以采用兩種不同的形狀：繞線和薄膜。每種類型都按照幾種標準化曲線和公差構建。最常見的標準化曲線是DIN曲線。DIN代表“德國標準化研究所”，意思是“德國標準化研究所”。該曲線定義了鉑 100 Ω傳感器的電阻與溫度特性、標準化公差和工作溫度范圍。這定義了RTD的精度，從0°C溫度下100 Ω的基極電阻開始。 DIN RTD 有不同的標準公差等級。這些容差如表2所示，它們也適用于低功耗應用中有用的Pt1000 RTD。

傳感器類型	DIN 類	公差 @ 0°C	公差 @ 50°C	公差 @ 100°C
Pt100 RTD 薄膜	B類	±0.30°C	±0.55°C	±0.80°C
Pt100 RTD 薄膜	A類	±0.15°C	±0.25°C	±0.35°C
Pt100 RTD 繞線/ 薄膜	1/3 B 類	±0.1°C	±0.18°C	±0.27°C

在選擇RTD傳感器時，必須同時考慮RTD本身及其精度。溫度范圍因元件類型而異，校準溫度（通常在0°C）下表示的精度隨溫度而變化。因此，重要的是要定義被測量的溫度范圍，并考慮到任何低于或高于校準溫度的溫度都將具有更寬的公差和更低的精度。

RTD 按其在 0°C 時的標稱電阻進行分類。 Pt100 傳感器的溫度系數約為 0.385 Ω/°C，Pt1000 的溫度系數比 Pt100 大 10 倍。許多系統設計人員使用這些系數來獲得近似的溫度平移電阻，但Callendar-Van Dusen方程提供了更準確的平移。

溫度 t ≤ 0°C 的方程為

溫度 t ≥ 0°C 的方程為

哪里：

t 是 RTD 溫度 （°C）

R即熱處理（t） 是溫度下的 RTD 電阻 （t）

R0是 0°C 時的 RTD 電阻（在本例中為 R0= 100 Ω） A = 3.9083 × 10?3

B = ?5.775 × 10?7

C = ?4.183 × 10?12

RTD 接線配置

選擇RTD時需要考慮的另一個傳感器參數是其接線配置，這將影響系統精度。市場上有三種不同的RTD接線配置，其中每種配置都有優點和缺點，并且可能需要不同的技術來減少測量誤差。

2線配置是最簡單但精度最低的配置，因為引線電阻誤差及其隨溫度的變化會導致明顯的測量誤差。因此，這種配置僅在引線短路或使用高電阻傳感器（例如Pt1000）的應用中有用，這兩種應用都可以最大限度地減少引線電阻對精度的影響。

3 線是最常用的配置，因為使用三個引腳的優點，這在連接器尺寸最小化的設計中非常有用（需要三個連接端子，而 4 線 RTD 需要 4 線端子）。與2線配置相比，3線的精度也有顯著提高。3線制中的引線電阻誤差可以使用不同的校準技術進行補償，本文稍后將介紹這些技術。

4線是最昂貴但最精確的配置。在這種配置中，消除了引線電阻引起的誤差以及溫度變化效應。因此，4線配置可實現最佳性能。

RTD配置電路

高精度和準確的RTD傳感器測量需要精確的信號調理、模數轉換、線性化和校準。RTD 測量系統的典型設計由不同的階段組成，如圖 2 所示。雖然信號鏈看起來簡單明了，但涉及幾個復雜的因素，設計人員必須考慮復雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和其他模擬信號調理挑戰，這些挑戰會影響整體系統板尺寸和物料清單（BOM）的成本，因為貢獻模塊的數量更多。從好的方面來說，ADI的產品組合中提供了大量集成解決方案。這種完整的系統解決方案可幫助設計人員簡化設計，同時減小電路板尺寸、縮短上市時間并降低整個RTD測量系統的成本。

圖1.RTD 接線配置。

圖2.典型的RTD測量信號鏈模塊。

三種RTD接線配置具有將RTD與其他外部元件連接或連接到ADC所需的不同接線技術，以及ADC的要求，例如激勵電流和靈活的多路復用器。本節將更深入地了解并重點介紹每種RTD配置電路的設計和考慮因素。

Σ-Δ型ADC

Σ-Δ型ADC在設計RTD系統時具有多種優勢。首先，由于Σ-Δ型ADC對模擬輸入進行過采樣，因此外部濾波被最小化，只需要一個簡單的RC濾波器。它們在選擇濾波器類型和輸出數據速率方面提供了靈活性。內置數字濾波可用于抑制市電供電設計中來自主電源的任何干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位高分辨率ADC的峰峰值分辨率最大為21.7位。其他好處是

模擬輸入的寬共模范圍

基準輸入的寬共模范圍

能夠支持比率配置

緩沖基準和模擬輸入

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括

可編程增益放大器 （PGA）

勵磁電流

基準/模擬輸入緩沖器

校準功能

它們顯著簡化了RTD設計，同時降低了BOM、系統成本、電路板空間和上市時間。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作為ADC。這些是低噪聲、低電流精密ADC，集成PGA、激勵電流、模擬輸入和基準電壓緩沖器。

比率測量

比率式配置是使用電阻傳感器（如RTD或熱敏電阻）的系統的理想且經濟高效的解決方案。采用比率法時，基準電壓和傳感器電壓來自同一激勵源。因此，激勵源不需要精確。圖3顯示了4線RTD應用中的比例配置示例。恒定激勵電流為 RTD 和精密電阻 R 供電裁判，在 R 兩端產生的電壓裁判作為RTD測量的參考電壓。激勵電流的任何變化都不會影響測量精度。因此，使用比率法允許使用噪聲更大、更不穩定的激勵電流。激勵電流優于電壓激勵，因為它具有更好的抗噪性。本文稍后將討論選擇激勵源值時要考慮的主要因素。

圖3.4線RTD比率測量。

共享 IOUT/AIN 引腳

許多RTD系統設計人員使用集成多路復用器和激勵電流的Σ-Δ型ADC，允許多通道測量，并靈活地將激勵電流路由到每個傳感器。AD7124等ADC允許單個引腳同時用作激勵電流和模擬輸入引腳（見圖4）。IOUT和AIN之間共享引腳只需要每個3線RTD傳感器兩個引腳，這會增加通道數。但是，在這種配置中，抗混疊或電磁干擾（EMI）濾波中電阻R的值較大，可能會增加RTD電阻值的誤差，因為R與RTD串聯，因此可以使用有限的R值。這就是為什么通常建議為每個激勵電流源使用專用引腳，以避免RTD測量中可能出現的誤差。

圖4.3線RTD，具有共享IOUT/AIN引腳。

4線RTD連接圖

4線RTD配置可提供最佳性能。與其他兩種配置相比，系統設計人員面臨的唯一問題是傳感器本身的成本和 4 針連接器的尺寸。在這種配置中，引線引起的誤差本質上由返回線消除。4線配置使用開爾文檢測和兩根導線將激勵電流傳入和傳出RTD，而其余兩根導線檢測RTD元件本身的電流。由于引線電阻引起的誤差本質上是可以消除的。4線配置只需要一個激勵電流IOUT，如圖5所示。ADC的三個模擬引腳用于實現單個4線RTD配置：一個引腳用于激勵電流IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測RTD兩端的電壓。

當設計使用多個4線RTD時，可以使用單個激勵電流源，激勵電流被引導至系統中的不同RTD。通過將基準電阻放在RTD的低端，單個基準電阻可以支持所有RTD測量;也就是說，基準電阻由所有RTD共享。 請注意，如果ADC的基準電壓輸入具有寬共模范圍，則基準電阻可以放置在高端或低端。因此，對于單個4線RTD，可以使用高端或低壓側的基準電阻。但是，當在系統中使用多個4線RTD時，將基準電阻放在低端是有利的，因為一個基準電阻可以由所有RTD共享。 注意，某些ADC包括基準電壓緩沖器。這些緩沖器可能需要一些裕量，因此，如果緩沖器使能，則需要一個裕量電阻。使能緩沖器意味著可以將更可靠的濾波連接到基準引腳，而不會在ADC內引起增益誤差等誤差。

2線RTD連接圖

2線RTD配置是最簡單的配置，如圖6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單個2線RTD配置：一個引腳用于激勵電流IOUT，兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測RTD兩端的電壓。當設計使用多個2線RTD時，可以使用單個激勵電流源，激勵電流被引導至系統中的不同RTD。按照4線配置將基準電阻放置在RTD的低端，單個基準電阻可以支持所有RTD測量;也就是說，基準電阻由所有RTD共享。

2線配置是三種不同接線配置中最不精確的，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兩端的電壓測量值。如果傳感器是遠程的并且系統使用很長的電線，那么誤差將很大。例如，一根 25 AWG 銅線的 25 英尺長的等效電阻為 0.026 Ω/英尺（0.08 Ω/米），× 2 × 25 英尺為 1.3 Ω。 因此，由于導線電阻，1.3 Ω 的導線電阻會產生 （1.3/0.385） = 3.38°C（大約）的誤差。導線電阻也隨溫度變化，這增加了額外的誤差。

圖5.單線和多路 4 線 RTD 模擬輸入配置測量。

3線RTD連接圖

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7所示）來消除RL1和RL2產生的引線電阻誤差。因此，ADC的四個模擬引腳用于實現單個3線RTD配置：兩個引腳用于激勵電流（IOUT0和IOUT1），兩個引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測RTD兩端的電壓。

圖6.單線和多線 2 線 RTD 模擬輸入配置測量。

圖7.單線和多線 3 線 RTD 模擬輸入配置測量。

有兩種方法可以配置3線RTD電路。方法1將基準電阻放在頂部，使第一個激勵電流IOUT0流向R裁判，RL1 然后進入 RTD，第二個電流流過 RL2 引線電阻并產生一個電壓，該電壓抵消了 RL1 引線電阻兩端的電壓降。因此，匹配良好的激勵電流完全消除了引線電阻引起的誤差。如果激勵電流存在一些失配，則使用此配置可將失配的影響降至最低。相同的電流流向RTD和R裁判;因此，兩個IOUT之間的任何不匹配僅影響引線電阻的計算。在測量單個RTD時，此配置非常有用。

測量多個3線RTD時，建議在底部使用基準電阻（方法2），以便僅使用單個基準電阻，從而最大限度地降低總成本。然而，在這種配置中，一個電流流過RTD，而兩個電流都流過基準電阻。因此，IOUT中的任何不匹配都會影響基準電壓的值以及引線電阻的消除。當存在激勵電流不匹配時，此配置的誤差將大于方法1。有兩種可能的方法可以校準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）激勵電流進行校準，對每個相位進行測量，然后對兩個測量值求平均值。另一種解決方案是自己測量實際激勵電流，然后使用計算出的失配來補償微控制器中的失配。有關這些校準的更多詳細信息，請參見CN0383。

RTD 系統優化

從系統設計人員的問題來看，設計和優化RTD應用解決方案涉及不同的挑戰。挑戰一是前面幾節中討論的傳感器選擇和連接圖。挑戰二是測量配置，包括ADC配置、設置激勵電流、設置增益和選擇外部元件，同時確保系統優化并在ADC規格范圍內運行。最后，最關鍵的問題是如何實現目標性能以及導致整體系統誤差的錯誤源是什么。

幸運的是，有一個新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它提供了一個實踐解決方案，用于設計和優化RTD測量系統，從概念到原型設計。

該工具

能夠理解正確的配置、接線和電路圖

協助了解不同的誤差源，并允許設計優化

該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設計。它允許客戶調整激勵電流、增益和外部元件等設置。它指示越界條件，以確保最終解決方案在ADC的規格范圍內。

圖8.RTD 配置器。

選擇激勵電流、增益和外部元件

理想情況下，我們傾向于選擇更高幅度的激勵電流，以產生更高的輸出電壓并最大化ADC輸入范圍。但是，由于傳感器是阻性的，設計人員還必須確保大激勵電流值的功耗或自熱效應不會影響測量結果。系統設計人員可以選擇高激勵電流。但是，為了最大程度地減少自發熱，需要在兩次測量之間關閉激勵電流。設計人員需要考慮系統的時序影響。另一種方法是選擇較低的激勵電流，以最大限度地減少自發熱。時序現在已最小化，但設計人員需要確定系統性能是否受到影響。所有方案都可以通過RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進行測試。該工具允許用戶平衡激勵電流、增益和外部元件的選擇，以確保模擬輸入電壓得到優化，同時調整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和更好的系統性能，這意味著更低的噪聲和更低的失調誤差。

為了了解生成的過濾器配置文件或更深入地了解轉換的時間，VirtualEval 在線工具提供了此詳細信息。

Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準輸入均由開關電容前端連續采樣。對于所討論的RTD系統，基準輸入也由外部基準電阻驅動。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用外部RC濾波器，以實現抗混疊效果。出于EMC目的，系統設計人員可以在模擬輸入和基準輸入上使用較大的R和C值。較大的RC值會導致測量中的增益誤差，因為前端電路沒有足夠的時間在采樣時刻之間建立。緩沖模擬和基準輸入可防止這些增益誤差，并允許使用無限的R和C值。

對于AD7124-4/AD7124-8，當使用大于1的內部增益時，模擬輸入緩沖器自動使能，由于PGA位于輸入緩沖器的前面，由于PGA是軌到軌的，因此模擬輸入也是軌到軌的。但是，對于基準電壓緩沖器，或者在使能模擬輸入緩沖器的情況下以增益為1的ADC使用ADC時，必須確保滿足正確操作所需的裕量。

來自 Pt100 的信號是低電平的。它們大約為數百 mV。為了獲得最佳性能，可以使用具有寬動態范圍的ADC。或者，在將信號施加到ADC之前，可以使用增益級來放大信號。AD7124-4/AD7124-8支持1至128的增益，因此支持針對寬激勵電流范圍的優化設計。PGA增益的多個允許選項允許設計人員在激勵電流值與增益、外部元件和性能之間進行權衡。RTD 配置器工具指示新的激勵電流值是否可以與選定的 RTD 傳感器一起使用。還建議了精密基準電阻和基準裕量電阻的合適值。請注意，該工具可確保ADC在規格范圍內使用——它顯示支持配置的可能增益。AD7124激勵電流符合輸出標準;也就是說，提供激勵電流的引腳上的電壓需要AVDD的一些裕量。該工具還將確保滿足此合規性規范。

RTD工具允許系統設計人員保證系統在ADC和RTD傳感器的工作限值范圍內。基準電阻等外部元件的精度及其對系統誤差的貢獻將在后面討論。

濾波選項（模擬和數字 50 Hz/60 Hz 抑制）

如前所述，建議將抗混疊濾波器與Σ-Δ轉換器配合使用。由于嵌入式濾波器是數字濾波器，因此頻率響應反映在采樣頻率周圍。需要抗混疊濾波來充分衰減調制器頻率和該頻率的任何倍數下的任何干擾。由于Σ-Δ轉換器對模擬輸入進行過采樣，因此抗混疊濾波器的設計大大簡化，只需要一個簡單的單極點RC濾波器。

當最終系統在現場使用時，處理來自系統運行環境的噪聲或干擾可能非常具有挑戰性，特別是在工業自動化、儀器儀表、過程控制或電源控制等應用領域，其中需要容忍噪聲，同時不對相鄰組件產生噪音。噪聲、瞬變或其他干擾源會影響系統精度和分辨率。當系統由主電源供電時，也可能發生干擾。主電源頻率在歐洲以 50 Hz 及其倍數產生，在美國以 60 Hz 及其倍數產生。因此，在設計RTD系統時，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑制的濾波電路。許多系統設計人員希望設計一個同時抑制50 Hz和60 Hz的通用系統。

大多數低帶寬ADC，包括AD7124-4/AD7124-8，都提供各種數字濾波選項，可通過編程將陷波設置為50 Hz/60 Hz。所選濾波器選項會影響輸出數據速率、建立時間以及50 Hz和60 Hz抑制。當啟用多個通道時，每次切換通道時都需要一個建立時間以生成轉換;因此，選擇建立時間較長的濾波器類型（即sinc4或sinc3）將降低整體吞吐率。在這種情況下，后置濾波器或FIR濾波器可用于在較短的建立時間內提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制，從而提高吞吐速率。

功耗考慮

系統的電流消耗或功率預算分配高度依賴于最終應用。AD7124-4/AD7124-8包含三種功耗模式，可在性能、速度和功耗之間進行權衡。對于任何便攜式或遠程應用，都必須使用低功耗組件和配置，對于某些工業自動化應用，整個系統由4 mA至20 mA環路供電，因此最大電流預算僅為4 mA。對于此類應用，器件可以編程為中功耗或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍然提供高性能。如果應用是過程控制，由主電源供電，則允許更高的電流消耗，因此可以將器件編程為全功率模式，并且該系統可以實現更高的輸出數據速率和更高的性能。

誤差源和校準選項

了解所需的系統配置后，下一步是估計與ADC相關的誤差和系統誤差。這有助于系統設計人員了解前端和ADC配置是否滿足整體目標精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統配置以獲得最佳性能。例如，圖 9 顯示了所有錯誤的摘要。系統誤差餅圖表明，外部基準電阻的初始精度及其溫度系數是影響整體系統誤差的主要誤差因素。因此，考慮使用精度更高、溫度系數更好的外部基準電阻非常重要。

ADC引起的誤差并不是導致整個系統誤差的最重要誤差因素。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的內部校準模式可以進一步降低ADC的誤差貢獻。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除ADC增益和失調誤差。請注意，這些校準不會消除外部電路產生的誤差。但是，ADC也可以支持系統校準，從而將系統失調和增益誤差降至最低，但這可能會增加額外的成本，并且大多數應用可能不需要。

故障檢測

對于任何惡劣環境或安全優先的應用，診斷正在成為行業要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷功能減少了實現診斷所需的外部元件，從而成為更小、更省時、更省錢的解決方案。診斷包括

檢查模擬引腳上的電壓電平，以確保其在指定的工作范圍內

串行外設接口 （SPI） 總線上的循環冗余校驗 （CRC）

內存映射上的 CRC

信號鏈檢查

這些診斷可帶來更強大的解決方案。根據IEC 61508，典型3線RTD應用的故障模式、影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分數（SFF）大于90%。

RTD 系統評估

圖10顯示了注釋CN0383中的一些測量數據。該測量數據使用AD7124-4/AD7124-8評估板捕獲，該評估板包括2線、3線和4線RTD的演示模式，并計算出相應的攝氏度值。結果表明，2線RTD方案給出的誤差接近誤差邊界的下限，而3線或4線RTD方案的總誤差完全在允許的限值內。2線測量中的較高誤差是由于前面描述的引線電阻誤差造成的。

圖9.RTD 誤差源計算器。

這些示例表明，當與ADI公司的低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）配合使用時，遵循上述RTD指南將實現高精度、高性能設計。電路筆記（CN0383）還將作為參考設計，幫助系統設計人員快速進行原型設計。該評估板允許用戶評估系統性能，其中可以使用每個示例配置演示模式。展望未來，可以使用AD7124-4/AD7124-8產品頁面中提供的ADI生成的示例代碼輕松開發不同RTD配置的固件。

ADC采用Σ-Δ架構，例如AD7124-4/AD7124-8，適用于RTD測量應用，因為它們解決了50 Hz/60 Hz抑制以及模擬和基準輸入上的寬共模范圍等問題。它們還高度集成，包含RTD系統設計所需的所有功能。此外，它們還提供增強的功能，如校準功能和嵌入式診斷。這種集成水平以及完整的系統宣傳資料或生態系統將簡化從概念到原型設計的整體系統設計、成本和設計周期。

為了簡化系統設計人員的旅程，RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具以及在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN0383可用于解決不同的挑戰，例如連接問題和整體誤差預算，并將用戶的設計提升到一個新的水平。

結論

本文演示了設計RTD溫度測量系統是一個具有挑戰性的多步驟過程。它需要根據不同的傳感器配置、ADC選擇和優化以及這些決策如何影響整體系統性能做出選擇。ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具、在線工具VirtualEval、評估板硬件和軟件以及CN0383通過解決連接和總體誤差預算問題來簡化流程。

圖 10.低功耗模式下的 2/3/4 線 RTD 溫度精度測量后置濾波器，25 SPS。

審核編輯：郭婷