简单实现完全集成的4线RTD温度测量系统，适用于高精度测量应用
对于各种各样的产品，制造过程需要高度精确和可靠的温度测量技术。温度通常通过与传感器的直接接触来测量，例如，通过将传感器浸入液体中或通过与机器表面接触来测量。除热敏电阻和热电偶外，电阻温度检测器（rtd）还特别适合，因为它们具有快速响应时间和高达几百μv/°c的出色灵敏度。 它们还可用于在–200°c至+800°c的极宽范围内进行测量，具有近乎线性的行为。rtd 有多种版本可供选择，例如 2、3 或 4 线，提供高度的应用灵活性。
为了产生测量电压，rtd需要一个激励电流。根据rtd类型的不同，电压电平从几十到几百毫伏不等。测量系统的精度不仅取决于温度传感器，还取决于选择合适的测量仪器、系统配置以及测量电路类型。根据导线数量，rtd 传感器可用于 2 线、3 线或 4 线测量电路。这些不同测量电路的比较如图1所示。
图1.2线、3线和4线测量值的比较。
在2线测量电路中，为rtd提供激励电流（i）的两根线也用于测量传感器电压。由于传感器电阻低，即使是相对较低的导线电阻rl也会产生相对较高的测量误差。在 3 线或 4 线测量系统中，由于传感器激励通过单独的导线发生，并且传感器的测量导线直接放置在通常具有高阻抗的测量设备输入端上，因此可以将该误差降至最低。
不幸的是，由于rtd两端的压降很低，信号很容易产生噪声。因此，应尽可能避免使用长测量线。通过放大尽可能靠近信号源或rtd的电压，可以降低噪声。此外，应使用具有良好信噪比（snr）的灵敏模数转换器（adc）进行进一步的数据处理。σ-δ型adc（如adi公司的ad7124系列）提供完全集成的24位低噪声模拟前端（afe），非常适合高精度测量应用。输入可选择性地配置为差分或单端/伪差分输入。ad7124系列还集成数字滤波器和可编程放大器级，非常适合低压应用。图2所示电路显示了使用ad7124的4线测量配置示例。
图2.采用ad7124的4线rtd温度测量配置
ad7124上的模拟引脚ain2和ain3配置为差分输入，用于测量rtd电压。rtd的激励电流在内部从模拟电源电压avdd汲取，并通过ain0供电。激励电流同时流过基准电阻r。参考文献1，用作精密电阻器，引起压降，然后通过参考引脚 refin1（+） 和 refin1（–） 检测。产生的压降与rtd两端的压降成正比。这种比率式配置可确保激励电流的变化不会影响整体系统精度。r参考文献2由于adc的有源内部模拟缓冲器，产生正常工作所需的失调电压。在模数转换之前，需要缓冲器对读数进行滤波，从而提供抗混叠和降低噪声。或者，也可以将所有模拟输入和参考输入与分立rc滤波器连接。使用ad7124，在开始测量之前，校准测量系统（零量程和满量程校准）以最小化增益和失调误差也很容易。
结论
使用ad7124系列等afe，rtd温度测量系统可以相对容易地实现。它们提供了高精度、低功耗和低噪声的良好组合，适用于高精度测量应用和节能便携式设备。此外，这些adc的集成度和灵活性简化了设计架构，有助于缩短使用不同类型传感器的测量应用（例如温度、电流、电压等）的设计周期。
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为了产生测量电压，rtd需要一个激励电流。根据rtd类型的不同，电压电平从几十到几百毫伏不等。测量系统的精度不仅取决于温度传感器，还取决于选择合适的测量仪器、系统配置以及测量电路类型。根据导线数量，rtd 传感器可用于 2 线、3 线或 4 线测量电路。这些不同测量电路的比较如图1所示。
图1.2线、3线和4线测量值的比较。
在2线测量电路中，为rtd提供激励电流（i）的两根线也用于测量传感器电压。由于传感器电阻低，即使是相对较低的导线电阻rl也会产生相对较高的测量误差。在 3 线或 4 线测量系统中，由于传感器激励通过单独的导线发生，并且传感器的测量导线直接放置在通常具有高阻抗的测量设备输入端上，因此可以将该误差降至最低。
不幸的是，由于rtd两端的压降很低，信号很容易产生噪声。因此，应尽可能避免使用长测量线。通过放大尽可能靠近信号源或rtd的电压，可以降低噪声。此外，应使用具有良好信噪比（snr）的灵敏模数转换器（adc）进行进一步的数据处理。σ-δ型adc（如adi公司的ad7124系列）提供完全集成的24位低噪声模拟前端（afe），非常适合高精度测量应用。输入可选择性地配置为差分或单端/伪差分输入。ad7124系列还集成数字滤波器和可编程放大器级，非常适合低压应用。图2所示电路显示了使用ad7124的4线测量配置示例。
图2.采用ad7124的4线rtd温度测量配置
ad7124上的模拟引脚ain2和ain3配置为差分输入，用于测量rtd电压。rtd的激励电流在内部从模拟电源电压avdd汲取，并通过ain0供电。激励电流同时流过基准电阻r。参考文献1，用作精密电阻器，引起压降，然后通过参考引脚 refin1（+） 和 refin1（–） 检测。产生的压降与rtd两端的压降成正比。这种比率式配置可确保激励电流的变化不会影响整体系统精度。r参考文献2由于adc的有源内部模拟缓冲器，产生正常工作所需的失调电压。在模数转换之前，需要缓冲器对读数进行滤波，从而提供抗混叠和降低噪声。或者，也可以将所有模拟输入和参考输入与分立rc滤波器连接。使用ad7124，在开始测量之前，校准测量系统（零量程和满量程校准）以最小化增益和失调误差也很容易。
结论
使用ad7124系列等afe，rtd温度测量系统可以相对容易地实现。它们提供了高精度、低功耗和低噪声的良好组合，适用于高精度测量应用和节能便携式设备。此外，这些adc的集成度和灵活性简化了设计架构，有助于缩短使用不同类型传感器的测量应用（例如温度、电流、电压等）的设计周期。
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