优化 RTD 温度传感系统：接线配置

这个由三部分组成的系列文章讨论了设计基于电阻温度检测器 (RTD) 的温度测量系统的历史和设计挑战。在第一部分中，我们介绍了温度测量挑战、RTD 类型、不同配置和 RTD 配置电路。在本文中，我们介绍了三种不同的 RTD 配置：2 线制、3 线制和 4 线制。

4 线 RTD 连接图

4 线 RTD 配置可提供最佳性能。与其他两种配置相比，系统设计人员面临的唯一问题是传感器本身的成本和 4 针连接器的尺寸。在这种配置中，由于引线引起的误差由返回线固有地消除。4 线配置使用开尔文感应，其中两根导线将励磁电流传送到 RTD 和从 RTD 流出，而其余两根导线则感应穿过 RTD 元件本身的电流。由于引线电阻引起的误差被固有地消除。4 线配置只需要一个激励电流 IOUT，如图 1 所示。 ADC 的三个模拟引脚用于实现单个 4 线 RTD 配置：一个引脚用于激励电流 IOUT，

图 1. 单线和多线 4 线 RTD 模拟输入配置测量。（来源：模拟设备公司）

当设计使用多个 4 线 RTD 时，可以使用单个激励电流源，激励电流被引导到系统中的不同 RTD。通过将参考电阻放在 RTD 的低端，单个参考电阻可以支持所有 RTD 测量；也就是说，参考电阻由所有 RTD 共享。请注意，如果 ADC 的参考输入具有较宽的共模范围，则参考电阻器可以放置在高端或低端。因此，对于单个 4 线 RTD，可以使用高侧或低侧的参考电阻。但是，当在系统中使用多个 4 线 RTD 时，将参考电阻器置于低侧是有利的，因为所有 RTD 可以共享一个参考电阻器。请注意，某些 ADC 包括参考缓冲器。这些缓冲区可能需要一些净空，因此，如果启用了缓冲器，则需要一个净空电阻器。启用缓冲器意味着可以将更强大的滤波连接到参考引脚，而不会导致 ADC 内的增益错误等错误。

2 线 RTD 配置是最简单的配置，如图 2 所示。对于 2 线配置，只需要一个激励电流源。因此，ADC 的三个模拟引脚用于实现单个 2 线 RTD 配置：一个引脚用于激励电流 IOUT，两个引脚用作全差分输入通道（AINP 和 AINM），用于感测 RTD 两端的电压. 当设计使用多个 2 线 RTD 时，可以使用单个激励电流源，激励电流被引导到系统中的不同 RTD。通过按照 4 线配置将参考电阻放置在 RTD 的低端，单个参考电阻可以支持所有 RTD 测量；也就是说，参考电阻由所有 RTD 共享。

图 2. 单线和多线 2 线 RTD 模拟输入配置测量。（来源：模拟设备公司）

2 线配置是三种不同接线配置中最不准确的，因为测量点的实际电阻包括传感器的电阻以及引线 RL1 和 RL2 的电阻，从而增加了 ADC 两端的电压测量。如果传感器是远程的并且系统使用很长的电线，那么误差会很大。例如，25 英尺长的 24 AWG 铜线的等效电阻为 0.026 Ω/英尺 (0.08 Ω/米) × 2 × 25 英尺到 1.3 Ω。因此，由于导线电阻，1.3 Ω 导线电阻会产生 (1.3/0.385) = 3.38°C（大约）的误差。导线电阻也会随温度变化，这会增加额外的误差。

3 线 RTD 连接图

使用 3 线 RTD 配置可以显着改善由 2 线 RTD 配置的引线电阻引起的显着误差。在本文中，我们使用第二个激励电流（如图 3 所示）来消除 RL1 和 RL2 产生的引线电阻误差。因此，来自 ADC 的四个模拟引脚用于实现单个 3 线 RTD 配置：两个引脚用于激励电流（IOUT0 和 IOUT1），两个引脚作为全差分输入通道（AINP 和 AINM），用于感测两端的电压热电阻。

图 3. 单线和多线 3 线 RTD 模拟输入配置测量。（来源：模拟设备公司）

有两种配置 3 线 RTD 电路的方法。方法 1 将参考电阻放在顶部，因此第一个激励电流 IOUT0 流向 R REF，RL1 然后流向 RTD，第二个电流流过 RL2 引线电阻并产生一个电压，该电压抵消了 RL1 引线电阻两端的电压降. 因此，匹配良好的励磁电流可以完全消除由引线电阻引起的误差。如果励磁电流有一些失配，则使用此配置可将失配的影响降至最低。相同的电流流向 RTD 和 R REF；因此，两个 IOUT 之间的任何不匹配只会影响引线电阻计算。这种配置在测量单个 RTD 时很有用。

测量多个 3 线 RTD 时，建议在底部使用参考电阻器（方法 2），因此只能使用单个参考电阻器，从而最大限度地降低总体成本。然而，在这种配置中，一个电流流过 RTD，而两个电流都流过参考电阻。因此，IOUT 中的任何不匹配都会影响参考电压的值以及引线电阻的抵消。当存在励磁电流失配时，这种配置将比方法 1 具有更大的误差。有两种可能的方法来校准 IOUT 之间的失配和失配漂移，从而提高第二种配置的精度。首先是通过斩波（交换）激励电流进行校准，对每个相位进行测量，然后对两次测量求平均值。另一种解决方案是测量实际励磁电流本身，然后使用计算出的失配来补偿微控制器中的失配。
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