RTD传感器信号调理电路简介
了解用于 rtd 应用的不同信号调理电路的基础知识，包括分压器、惠斯通电桥电路和 δσ 转换器。
在本系列的前几篇文章中，我们讨论了 电阻温度检测器 和 他们的反应是如何表征的。本文将讨论rtd应用中不同信号调理电路的基础知识。
使用分压器进行 rtd 测量
可以使用简单的电阻分压器将rtd电阻的变化转换为电压信号。图1显示了铂rtd的典型电路图。图中的pt1000表示铂rtd，在0°c时的标称电阻为1000 ω。
图1. 铂rtd电路图示例。
与大多数电阻式传感器一样，rtd传感器根据测量物理量的变化而变化的百分比相对较小。考虑到这一点，pt1000的温度系数约为3.85 ω / °c。 让我们看看节点 a 的电压变化有多大。
假设我们需要以0.2°c的分辨率测量温度，这可能是一个相对苛刻的要求。如果温度从0°c变为0.2°c，则传感器电阻从1000 ω增加到1000.77 ω。因此，节点a的电压从1.5 v更改为1.50288 v，计算如下：
因此，将温度改变0.2°c会使节点a的电压改变约577μv。我们可以直接测量v一个 确定rtd电阻值和温度;但是，我们的测量系统应该具有足够的分辨率来检测1.5v信号中的几分之一毫伏变化。将1.5 v分压到所需的最小步长（577 μv），我们可以估算模数转换器的无噪声计数，其结果为：
这对应于关于日志的无噪声分辨率2（2600） = 11.34 位。请注意，这仅为我们提供了a / d分辨率的近似值。实际要求更为严格，取决于温度计设计的温度范围。此外，我们用3.85 ω/°c的恒定温度系数对rtd进行了建模，而rtd实际上是非线性器件。
11位的无噪声分辨率可以通过当今的 三角积分 （δσ） 转换器。因此，我们可以使用图1中的电路以及δσ转换器直接对rtd两端的电压进行数字化处理。
然而，几十年前，这种高性能数据转换器既不可用也不经济;电路设计人员使用了诸如 惠斯通电桥电路 用于 rtd 测量。而 桥接电路 仍然普遍用于其他领域，例如力和压力传感应用，它们很少用于rtd测量。尽管如此，为了完整起见，我们将在下面简要讨论桥接电路如何放松 模数转换器 （adc） 要求。
传统方法：使用惠斯通电桥进行 pt1000 测量
用于pt1000测量的基本惠斯通电桥如图2所示。
图2. pt1000的惠斯通电桥测量示例。
输出电压是两个支路之间的电压差。事实上，桥式电路将单端测量从简单的分压器分支更改为差分测量。在这种情况下，当电桥平衡时（0°c时），输出为0 v。如果温度升高0.2°c，输出增加到577 μv，计算如下：
在这种情况下，反映rtd电阻变化的所需信号不会位于大直流信号之上。输出仅包含我们要测量的信号。为了确定adc的无噪声分辨率，我们应该考虑v的最大值和最小值外 在温度计的整个温度范围内。假设我们需要测量-40°c至150°c的范围。rtd 电阻变化 从 842.47 ω 到 1573.25 ω 在此温度范围内。我们可以使用此信息来确定 v 的最大值和最小值外 计算如下表1所示：
表 1.
由于应检测到的最小变化为577 μv，因此系统的无噪声计数可通过以下方式计算：
这对应于9.65位的无噪声分辨率。如您所见，在整个190 °c温度范围内获得的基于电桥的测量的adc分辨率仍然比分压器方法的单次测量所获得的adc分辨率更宽松。
rtd应用的桥式电路限制
虽然桥式电路可以降低adc要求，但这种方法有一些缺点。电桥输出取决于电桥配置中采用的电阻值。这种限制就是为什么需要三个精密电阻来完成电桥的原因。除此之外，具有单个检测元件的电桥是非线性的。因此，除了rtd非线性之外，设计人员还必须补偿电桥的非线性响应。软件或 模拟技术 可用于线性化桥式电路，增加系统的复杂性。使用桥接电路时，我们还需要 具有大共模抑制的仪表放大器 可以提供 高阻抗和相等输入阻抗。
由于这些限制并注意到现代 δ-σ转换器 可以轻松满足和突破rtd应用的要求，电路设计人员通常不使用桥接电路进行rtd测量。
使用δ-σ转换器测量rtd传感器
图3显示了将rtd传感器与 δσ 模数转换器。
图3. 用于与 rtd 传感器和 δσ adc 接口的简化图
使用22位adc和3 v基准电压时，lsb（最低有效位）等于 3222≈0.72m在3222≈0.72m在。
使用这些高分辨率adc，最小可检测信号通常受到adc内电子噪声的限制，例如内部电路产生的热噪声和闪烁噪声，而不是 量化噪声 的 adc。如果需要复习一下δσ adc的噪声性能，可以参考这个优秀的 由十二部分组成的系列文章 来自德州仪器。
δσ adc的峰峰值输入折合噪声可以是微伏级或更低。假设adc的折合到输入端的噪声为3 μvp-p.对于图3中的电路，我们可以找到rtd电压vrtd的最大值和最小值，如下表2所示：
表 2.
利用这些信息，我们可以计算系统在-40°c至150°c温度范围内的无噪声计数，如下所示：
将温度范围除以无噪声计数得到温度测量分辨率：
虽然这种精度水平实际上令人兴奋，但应该注意的是，其他几个错误源阻止我们实现如此高的性能。r的初始公差和温度漂移1 adc失调电压和失调漂移是其中的几个误差源。然而，上述计算证实，现代adc的噪声性能和分辨率足以进行精密测温;但是，设计人员需要消除其他主要误差因素，以保持系统精度。
请注意，在上述示例中，偏置电阻r选择了一个相对较小的值1.实际上，可能需要更大的电阻来限制rtd自热效应。
rtd 应用的比率测量
虽然本文中的不同图表使用电压源来激励rtd，但许多rtd应用使用电流源进行传感器激励。此外，rtd应用通常从激励传感器的同一源获得adc基准电压。这种技术称为 比率测量，最大限度地减少由传感器激励源或adc基准电压源的意外变化引起的误差。在下一篇文章中，我们将继续讨论，看看rtd应用如何从比率测量中受益。
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图1. 铂rtd电路图示例。
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因此，将温度改变0.2°c会使节点a的电压改变约577μv。我们可以直接测量v一个 确定rtd电阻值和温度;但是，我们的测量系统应该具有足够的分辨率来检测1.5v信号中的几分之一毫伏变化。将1.5 v分压到所需的最小步长（577 μv），我们可以估算模数转换器的无噪声计数，其结果为：
这对应于关于日志的无噪声分辨率2（2600） = 11.34 位。请注意，这仅为我们提供了a / d分辨率的近似值。实际要求更为严格，取决于温度计设计的温度范围。此外，我们用3.85 ω/°c的恒定温度系数对rtd进行了建模，而rtd实际上是非线性器件。
11位的无噪声分辨率可以通过当今的 三角积分 （δσ） 转换器。因此，我们可以使用图1中的电路以及δσ转换器直接对rtd两端的电压进行数字化处理。
然而，几十年前，这种高性能数据转换器既不可用也不经济;电路设计人员使用了诸如 惠斯通电桥电路 用于 rtd 测量。而 桥接电路 仍然普遍用于其他领域，例如力和压力传感应用，它们很少用于rtd测量。尽管如此，为了完整起见，我们将在下面简要讨论桥接电路如何放松 模数转换器 （adc） 要求。
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请注意，在上述示例中，偏置电阻r选择了一个相对较小的值1.实际上，可能需要更大的电阻来限制rtd自热效应。
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虽然本文中的不同图表使用电压源来激励rtd，但许多rtd应用使用电流源进行传感器激励。此外，rtd应用通常从激励传感器的同一源获得adc基准电压。这种技术称为 比率测量，最大限度地减少由传感器激励源或adc基准电压源的意外变化引起的误差。在下一篇文章中，我们将继续讨论，看看rtd应用如何从比率测量中受益。
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