多路复用三线式RTD数据采集系统的误差最小化

电路结构
 
提供双线式、三线式和四线式RTD 配置，其中，双线式配置的器件成本最低，四线式器件精度最佳。三线式RTD 通常用 于工业应用中，可采用两个相同的电流源激励，以消除引脚电阻。与精密参考电阻一同使用时，电流源误差不影响测量精度。高性能ADC（如AD7792和AD7793集成激励电流源，适合高精度RTD 测量。
 
图1 显示片内电流源激励两个三线式RTD。RTD 通道可由多 路复用器选择，如ADG5433高压、防闩锁、三路SPDT 开关。

图1. 两个三线式RTD 多路复用至一个AD7792/AD7793 ADC

一次只能测量一个RTD。S1A、S1B 和S1C 闭合测量RTD #1； S2A、S2B 和S3B 闭合测量RTD #2。单个ADG5433 可切换两个三线式RTD；可增加额外的多路复用器处理两个以上的传感 器。R_LXX表示RTD 和测量系统之间由于导线过长引入的电阻以及开关的导通电阻。
 
计算RTD电阻
 
由于S1A、S1B 和S1C 闭环测量RTD #1，RTD 电阻可计算如下：



因此，测量值仅取决于 R_REF的数值（和精度）。但请记住，我们假定I_OUT1 = I_OUT2 ，并且 RL_1A = RL_1B = RL_1C。事实上，这些电流和电阻失配是测量误差的主要来源。
 
电流源和线路电阻失配的影响
 
下一步，假定两个电流源失配，比如 I_OUT2 = (1 + x) I_OUT1。现在，考虑下列情况：


 
请注意，失配会导致失调误差以及增益误差。失调误差与两个引脚电阻之间的失配有关，而增益误差与两个电流源之间的失配有关。如果不考虑这些失配情况，则根据ADC 的数据读数计算的RTD 电阻值将是不准确的。
 
以200 Ω RTD 为例, 表1 显示不考虑失配时，得到的数值；其 中R_REF = 1000 Ω, I_OUT1 = 1 mA, I_OUT2 > I_OUT1 （以百分比显示）， RL_1A = 10 Ω, RL_1C > RL_1A （以电阻值显示）。
 
表1. 不考虑失配时的RTD 测量值
 

最小化误差
 
数据显示很小的失配就会严重影响精度，因此应当使用匹配良好的电流源和开关，以便改进性能。
 
传递函数是线性的，因此可轻松校准电流源和电阻失配导致的初始误差。然而，失配随温度的变化而改变，这使得补偿变得 很不容易。因此，选用的器件应随温度的变化而具有低漂移特性。
 
若 I_OUT1 ≠ I_OUT2, 且电流源如图所示连接：


 
假定我们交换 I_OUT1 和 I_OUT2, 使 I_OUT1 连接 V_IN– 和 I_OUT2 并连接 V_IN+:


 
现在，如果我们对转换结果求和，并且电流源以初始方向连接， 同时第二次转换时交换电流源，则可得：
 
请注意，测量值现已独立于电流源失配。唯一的缺点是速度的损失，因为每次RTD 计算都需经过两次转换。
 
AD7792 和AD7793 针对该应用设计。如图2 所示，通过写入 I/O 寄存器，集成开关可简化电流源到输出引脚的交换。

图2. AD7792/AD7793 功能框图

结论
 
在AD7792/AD7793 器件内交换激励电流源可改善多路复用 RTD 测量电路的精度。计算显示了电流源和线路电阻之间失配 问题的重要性
 
参考电路
 
Kester, Walt, James Bryant, and Walt Jung. “Temperature Sensors.” Sensor Signal Conditioning, Section 7. Analog Devices, Inc., 1999.