RTD測量系統中勵磁電流失配的影響

這篇文章提供了對范例式集成比例型三線(xiàn)RTD測量系統的分析，以便了解誤差的來(lái)源，包括勵磁電流失配產(chǎn)生的影響。

集成式RTD測量電路

典型的集成式RTD測量解決方案包括勵磁電流、增益級、模數轉換器(ADC)和其它有用的功能，如開(kāi)路傳感器檢測功能。與分立式系統相比，這些解決方案不僅可以大大簡(jiǎn)化設計，同時(shí)還能實(shí)現高準確度。

具有24位Δ-Σ型ADC是整合了好幾種功能，以方便溫度測量應用的設計，ADC現代集成式解決方案的一個(gè)例子是ADS1220。在這種集成式解決方案中，用來(lái)控制勵磁電流的是電流輸出數模轉換器(DAC)，也被稱(chēng)為集成式DAC(IDAC)。為使IDAC到電阻式溫度檢測器RTD電路的布線(xiàn)更容易，該解決方案還包括一個(gè)多路復用器。最后，用可編程增益放大器(PGA)來(lái)提高RTD系統的電壓分辨率。圖1展示了使用集成式ADC解決方案的簡(jiǎn)化電路原理圖。

RTD測量系統中誤差的來(lái)源

不管解決方案是集成式的還是分立內置式的，三線(xiàn)比例型RTD測量電路中的誤差源都相同。來(lái)自勵磁電流大小的誤差可以在比例測量中被消除。然而，由兩種勵磁電流的初始失配和溫度漂移引起的誤差卻能產(chǎn)生增益誤差。來(lái)自輸入增益級、ADC和RREF公差的誤差也可在最終測量結果中引起誤差。這些誤差會(huì )在最終測量結果里以偏移、增益或線(xiàn)性誤差的形式出現。

表1列出了能影響RTD測量的ADC誤差源。

表1：

由于到ADC的輸入是電壓，所以積分非線(xiàn)性(INL)誤差、增益誤差和IDAC失配誤差必須被轉換為輸入相關(guān)電壓。表2和表3詮釋了一個(gè)范例式系統。該系統用來(lái)計算作為輸入相關(guān)電壓的誤差。選擇電路的值超出了這些規定的范圍，這些在TI的參考設計TIPD120中得到了詳細的說(shuō)明。

表2：范例式Pt100技術(shù)規格

表3：TIPD120的比例型電路配置

使用表3中的范例式電路配置，現在可認為誤差源與輸入相關(guān)，并可將誤差源與RTD電壓最大值(0.39048V)相比較。

PGA會(huì )產(chǎn)生輸入相關(guān)偏移電壓誤差 —— 該誤差可直接用于總誤差計算。

明確規定增益誤差要用滿(mǎn)量程范圍的百分率(也稱(chēng)為%FSR)表示?？赏ㄟ^(guò)方程式(2)增益誤差乘以RTD輸入電壓最大值來(lái)計算出輸入相關(guān)電壓誤差。

明確規定INL要用ADC滿(mǎn)量程范圍的百萬(wàn)分率(ppm)表示。INL不是增益誤差。因此，必須讓它乘以ADC的滿(mǎn)量程輸入電壓，而不是RTD電壓最大值。用方程式(3)可計算出該配置中的滿(mǎn)量程輸入，用方程式(4)則可計算出輸入相關(guān)INL誤差。

明確規定IDAC失配要用%FSR表示。因此，可計算增益誤差及產(chǎn)生的輸入相關(guān)電壓誤差。這在下面的方程式(5)和方程式(6)中進(jìn)行了展示。

來(lái)自RREF公差的誤差

最后一個(gè)重要的誤差源是RREF的公差，它會(huì )在A(yíng)DC傳遞函數中產(chǎn)生增益誤差。憑借用來(lái)計算IDAC失配增益誤差的相同方法也可計算出RREF引起的增益誤差。方程式(7)展示了最終結果。

假設RREF公差被明確規定為0.05%，那么按方程式(8)所示可計算出增益誤差。用方程式(9)則可計算出輸入相關(guān)誤差。

在室溫(TA = 25°C)下的總誤差

表4列出了這個(gè)比例型三線(xiàn)RTD系統在環(huán)境溫度(TA)為25°C時(shí)所有誤差的匯總。使用輸入相關(guān)誤差電壓的平方和根值(RSS)可計算出最大或然誤差。IDAC失配在總或然誤差中所占比例大約為95%。

用方程式(10)可計算出總誤差。

表4：所有誤差的匯總

方程式(11)和方程式(12)展示了如何把表4中的總電壓誤差轉換為以歐姆為單位的誤差，并最終轉換為以攝氏度為單位的誤差。借助Pt100 RTD的靈敏度α，按IEC-60751標準所規定的，能把以歐姆為單位的誤差轉換為以攝氏度為單位的溫度誤差。

漂移誤差(TA = -40°C至85°C)

標準室溫校準技術(shù)可用來(lái)從系統中消除增益和偏移誤差，只留下線(xiàn)性誤差。但除非進(jìn)行了過(guò)溫校準，否則溫度漂移技術(shù)規格仍會(huì )造成誤差。

表5展示了ADC的溫度漂移技術(shù)規格。在工作溫度范圍內，IDAC電流的溫度漂移是最大的誤差源?？赏ㄟ^(guò)技術(shù)消除IDAC失配漂移。但是，偏移和增益誤差漂移仍會(huì )存在，除非進(jìn)行了過(guò)溫校準。

表5：-40°C至85°C溫度范圍內所有溫度漂移誤差的匯總

總漂移誤差主要是因IDAC失配漂移引起的;在-40°C至85°C的系統工作溫度范圍內，總漂移誤差還會(huì )另外產(chǎn)生±0.306℃的溫度誤差。

總結

在這部分，我們基于A(yíng)DC的技術(shù)規格和外部組件分析了范例式比例型三線(xiàn)RTD測量系統的誤差。雖然比例型系統可從IDAC源的絕對值中消除誤差，但IDAC之間的任何失配和失配漂移均能產(chǎn)生誤差。在許多情況下，IDAC失配都是最大的誤差源。此外，IDAC失配漂移還是過(guò)溫誤差的最大促成因素。

之后我們將討論各種選項，以減少或消除由IDAC失配和失配漂移引起的誤差，只留下來(lái)自ADC的增益誤差、偏移電壓和INL誤差。