RTD信号调理——3线配置中的电压与电流激励

了解电阻式温度检测器（RTD）信号调理技术，如电压与电流激励以及用于处理引线和导线电阻误差的三线配置。

之前，我们探讨了RTD的基础知识，并介绍了RTD信号调理电路。本文将进一步深入介绍RTD信号调理技术，并介绍电压与电流激励以及用于处理引线电阻误差的三线配置等概念。

RTD应用中的电压与电流激励

尽管我们在上一篇关于信号调理的文章中使用了电压激励，但应注意的是，大多数RTD应用都使用电流源来激励传感器。图1(a)和(b)分别描述了电压和电流激励方法的简化图。

电压（a）和电流（b）励磁方法图。

图1 电压（a）和电流（b）励磁方法示意图。

这两种方法的选择由设计者自行决定；然而，电流激励可以提供更好的噪声抗扰性，通常是在嘈杂的工业环境中选择的方法。大多数为RTD应用设计的delta-sigma（ΔΣ）转换器都包含一个或多个用于RTD激励的内部电流源。因此，电流激励似乎比电压激励更常见。我们稍后还将讨论，使用电流激励时更容易补偿RTD引线电阻误差。

RTD电阻：接线电阻错误

引线和接线电阻与RTD电阻串联，并给测量结果带来误差。假设一个100Ω的RTD通过一根10英尺长的电线连接到测量系统，该电线与传感器的每条引线串联，电阻为1Ω（在0℃时），如图2所示。

描绘引线和布线电阻的示例图。

图2:描绘引线和布线电阻的示例图。

在这种情况下，ADC（模数转换器）“看到”的总电阻在0°C时为102Ω。考虑到RTD的温度系数为0.385Ω/°C，布线电阻引入了5.2°C的误差。实际上，传感器可能离测量系统更远，导致更大的误差。此外，由于布线电阻随温度变化而变化，因此误差不是恒定的，不能轻易地被消除。

图2所示的简单接线配置称为两线配置。另外两种接线技术，即三线和四线配置，可以补偿接线电阻误差。两线配置是三种可用选项中最简单、最不准确的。请注意，在使用电压激励的图1（a）所示的电路中，引线电阻也会产生误差。

RTD三线配置

三线配置如图3所示。

显示三线配置的图表。

图3. 三线配置示意图。

这种配置需要三条电线将传感器连接到测量设备。红线显示了从测量系统到RTD再回到系统地面的电流路径。假设ADC输入具有高阻抗，则节点A和B之间的电线上不会有电流流过。因此，这两个节点处于相同的电位，即Vwire2 = 0。应用基尔霍夫电压定律，得出ADC输入端出现的电压为：

在这种情况下，只有一根导线的电阻会在ADC输入端产生误差电压。假设导线的电阻相同，则上述配置可将导线电阻误差减小一半。图4显示了三线配置如何与电压激励的RTD一起使用。

电压激励RTD的三线配置示例。

图4. 电压激励RTD的三线配置示例。

同样，没有电流流过Rwire2，ADC感应到RTD两端的电压加上Rwire3两端的电压。这使布线电阻误差减半。

使用两个电流源的三线配置

图5显示了具有恒定电流励磁的另一种三线配置。

一种具有恒流励磁的替代三线配置。

图5. 恒流励磁的另一种三线配置。

在这种情况下，使用两个匹配的电流源来完全消除导线电阻误差。应用基尔霍夫电压定律，我们有：

假设电流源和导线电阻相同（$I_{exc1}=I_{exc2}and{R}_{wire1}=R_{wire2}$ ），Rwire1和Rwire2上会出现相同的电压降，因此VADC=Vrtd。因此，ADC测量的电压消除了线电阻误差。两个激励电流之和无害地通过第三根线流向系统地。一些针对RTD应用的ADC（如Analog Devices的AD7711）提供匹配的电流源，以方便上述三线配置。

图6显示了AD7711的功能框图，其中包含两个匹配的200μA电流源。

AD7711的框图。

图6：AD7711的框图。图片由Analog Devices提供

图5中的电路假设两个电流源相同。两个电流源之间的任何不匹配都会使布线电阻在系统中引入误差。解决这个问题的一种方法是在输入端之间交换两个电流。然后，对这两种配置获得的电压进行平均，以消除电流不匹配误差。让我们推导出方程，以充分理解这种技术的工作原理。首先，考虑图5中所示的情况，并假设电流源不相等。ADC测量的电压可以表示为：

如果我们在两个输入端之间交换两个电流源（图7），我们就会得到一个新的测量结果：

图表显示两个输入端之间两个电流源的交换。

图7. 显示两个输入之间两个电流源交换的示意图。

对两次测量结果取平均值，我们得到：

如果线电阻相同

上述方程简化为：

该方程与布线电阻无关。一些ADC（如ADS1220）在设计时考虑了RTD测量要求，包括一个多路复用器来交换内部电流源。图8显示了使用ADS1220的具有电流交换（或斩波）能力的三线RTD测量图。

带有电流交换的三线电阻式温度检测器测量图。

图8.带有电流交换的三线电阻式温度检测器测量图。图片由德州仪器公司提供

提高三线电压激励RTD的精度

采用三线配置时，可以使用两个匹配的电流源来消除线电阻误差。那么电压激励的三线电阻温度检测器（RTD）呢？在这种情况下，有没有一种简单的方法可以完全消除线电阻误差？我们上面讨论过，电压激励的三线电路只能将线电阻误差减半。我们可以使用下面（图9）所示的修改后的图表来消除线电阻误差。

示例图显示了线电阻误差的消除。

图9 显示消除线电阻错误的示例图。

在这种情况下，我们使用了一个模拟开关，可以测量节点B和C的电压。节点B的电压由以下等式给出：

方程式1。

节点C的电压为：

方程式2。

假设线电阻相同，我们可以得出Vwire3 = -Vwire1。因此，等式2简化为：

方程式3。

将方程1和方程3结合起来，我们得到：

如您所见，通过测量VB和VC可以精确测量RTD上的电压降。虽然这种技术可以补偿导线电阻误差，但它需要额外的硬件，增加了测量的复杂性。包含匹配电流源的ADC为消除导线电阻误差提供了方便的解决方案。这就是在RTD应用中，电流激励比电压激励更常见的原因之一。