优化 RTD 温度传感系统：接线方式

本系列文章分为三部分，讨论了基于电阻温度检测器 (RTD) 的温度测量系统的设计历史和设计挑战。在第一部分中，我们介绍了温度测量挑战、RTD 类型、不同配置以及 RTD 配置电路。在本文中，我们介绍了三种不同的 RTD 配置：2 线、3 线和 4 线。

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，导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，两根导线将激励电流传送到 RTD 和从 RTD 传送，而其余两根导线感应 RTD 元件本身的电流。导线电阻引起的误差固有地被消除。4 线配置只需要一个激励电流 IOUT。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，两个引脚作为全差分输入通道(AINP 和 AINM)，用于感应 RTD 两端的电压。

当设计使用多个 4 线 RTD 时，可以使用单个激励电流源，并将激励电流导向系统中的不同 RTD。通过将参考电阻放置在 RTD 的低压侧，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 的参考输入具有宽共模范围，则可以将参考电阻放置在高压侧或低压侧。因此，对于单个 4 线 RTD，可以使用高压侧或低压侧的参考电阻。但是，当在系统中使用多个 4 线 RTD 时，将参考电阻放置在低压侧是有利的，因为一个参考电阻可以由所有 RTD 共享。请注意，一些 ADC 包括参考缓冲器。这些缓冲器可能需要一些余量，因此，如果启用了缓冲器，则需要一个余量电阻。启用缓冲器意味着可以将更强大的滤波功能连接到参考引脚，而不会导致诸如 ADC 内的增益误差之类的误差。

2 线 RTD 连接图

2 线 RTD 配置是最简单的配置，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，两个引脚作为全差分输入通道 (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，并将激励电流导向系统中的不同 RTD。通过按照 4 线配置将参考电阻放置在 RTD 的低压侧，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。

2 线配置是三种不同接线配置中精度最低的一种，因为测量点的实际电阻包括传感器和引线 RL1 和 RL2 的电阻，因此会增加 ADC 两端的电压测量值。如果传感器位于远端，且系统使用非常长的导线，则误差会非常大。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 = 1.3 Ω。因此，1.3 Ω 导线电阻会因导线电阻而产生 (1.3/0.385) = 3.38°C (大约) 的误差。导线电阻也会随温度变化而变化，这会增加额外的误差。

3 线 RTD 连接图

通过使用 3 线 RTD 配置，可以显著改善 2 线 RTD 配置中由于引线电阻而产生的显著误差。在本文中，我们使用第二个激励电流来消除 RL1 和 RL2 产生的引线电阻误差。因此，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 RTD 两端的电压。

有两种方法可以配置 3 线 RTD 电路。方法 1 将参考电阻放在顶部，这样第一个激励电流 IOUT0 流向 R REF，然后流向 RL1 ，再流向 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 引线电阻上的压降。因此，匹配良好的激励电流可以完全消除引线电阻引起的误差。如果激励电流存在一些不匹配，则使用此配置可以将不匹配的影响降到最低。相同的电流流向 RTD 和 R REF;因此，两个 IOUT 之间的任何不匹配都只会影响引线电阻计算。此配置在测量单个 RTD 时很有用。

测量多个 3 线 RTD 时，建议在底部使用参考电阻(方法 2)，这样只需使用一个参考电阻，即可将总成本降至最低。但是，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抵消。当存在激励电流不匹配时，此配置的误差将大于方法 1。有两种可能的方法来校准 IOUT 之间的不匹配和不匹配漂移，从而提高第二种配置的准确性。第一种是通过斩波(交换)激励电流进行校准，对每个相位进行测量，然后对两个测量值取平均值。另一种解决方案是测量实际激励电流本身，然后使用计算出的不匹配来补偿微控制器中的不匹配。