RTD比率式温度测量的模拟前端设计考虑

在温度测量领域，电阻式温度检测器(RTD)与Σ-Δ型模数转换器(ADC)的结合使用已经成为一种常见且高效的解决方案。然而，许多系统设计人员在实际应用中面临一个共同难题：如何在ADC数据手册规定的高性能标准下，实现精确的RTD温度测量。本文将从RTD比率式温度测量的基本原理出发，详细探讨模拟前端设计的关键考虑因素，以期帮助系统设计人员实现高精度、低噪声的温度测量系统。

一、RTD比率式温度测量的基本原理

RTD是一种基于电阻值随温度变化而变化的温度传感器，广泛应用于需要高精度温度测量的场合。在比率式测量中，RTD的电阻值与一个已知且稳定的参考电阻(RREF)进行比较，通过测量两者之间的电阻比来计算温度。这种测量方式的优势在于能够消除激励电流源的精度和漂移等误差源，从而提高测量的准确性。

二、模拟前端设计的关键要素

1. ADC的选择

选择适合的ADC是实现高精度RTD测量的基础。Σ-Δ型ADC以其高精度、低噪声和出色的线性度在温度测量中广受欢迎。然而，不同型号的ADC在性能上存在差异，系统设计人员应根据具体需求选择合适的ADC。例如，ADI公司的AD7124-4/8系列ADC集成了多种可编程匹配激励电流、模拟输入缓冲器、可编程增益放大器(PGA)等特性，非常适合于RTD温度测量。

2. RTD配置

在RTD比率式测量中，4线制配置因其能够消除由引脚电阻产生的误差而备受青睐。典型的4线RTD比率式测量电路如图1所示。通过合理设计电路中的电阻和电容值，可以进一步提高测量的精度和稳定性。

3. 低通滤波器设计

为了抑制高频噪声和干扰，通常需要在模拟输入和基准电压源引脚前添加低通滤波器。如图2所示，R1、R2、C1、C2和C3共同构成了一阶低通RC滤波器，为差分和共模电压信号提供衰减。在设计滤波器时，需要选择合适的电阻和电容值，以确保滤波器具有适当的截止频率和噪声抑制能力。同时，为了确保模拟输入电压与基准电压保持成比例，建议在AIN和基准电压源引脚前使用相同的电阻和电容值。

4. 过电压保护

除了作为低通滤波器的一部分外，R1和R2还可以提供过电压保护。例如，在图6所示的电路中，如果在AD7124-4的AIN引脚前使用3kΩ电阻，则最高可保护30V的接线错误。然而，不建议使用更大的电阻值，因为它们会产生更多的热噪声，并且AIN引脚的输入电流将流过这些电阻并引入误差。

5. 噪声优化

噪声是影响温度测量精度的另一个重要因素。为了降低噪声水平，系统设计人员需要仔细选择电阻和电容值，并考虑其匹配性。表1列出了在模拟和参考输入路径前具有匹配和不匹配滤波器时的噪声水平。从表中可以看出，使用匹配的模拟前端电路可以显著降低噪声水平，从而提高ADC的无噪声位数。

6. 激励电流源的选择

激励电流源的精度和稳定性对RTD测量的准确性有重要影响。ADI公司的AD7124-4/8系列ADC提供了6种可编程匹配激励电流，从50µA到1mA不等。系统设计人员可以根据具体需求选择合适的激励电流，以平衡测量精度和功耗。

三、案例分析

以ADI公司的CN-0381电路笔记为例，该电路采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC AD7124，实现了全集成式4线RTD测量系统。在−50℃至+200℃的温度范围内，通过两点校准和线性化，3线系统的整体精度优于±1℃。在全功率模式下，选择sinc4滤波器，输出数据速率为50SPS时，系统的典型无噪声码分辨率为17.9位;在低功耗模式下，选择后置滤波器，输出数据速率为25SPS时，系统的典型无噪声码分辨率为16.8位。

四、结论

RTD比率式温度测量的模拟前端设计是一个复杂而精细的过程，需要系统设计人员综合考虑ADC的选择、RTD配置、低通滤波器设计、过电压保护、噪声优化以及激励电流源的选择等多个因素。通过合理设计模拟前端电路，并选择合适的元件和参数，可以实现高精度、低噪声的RTD温度测量系统。同时，随着电子技术的不断发展，新的元件和算法不断涌现，为RTD温度测量的进一步优化提供了更多可能性。