在溫度測量領域，電阻式溫度檢測器(RTD)與Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)的結合使用已經成為一種常見且高效的解決方案。然而，許多系統(tǒng)設計人員在實際應用中面臨一個共同難題：如何在ADC數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的高性能標準下，實現(xiàn)精確的RTD溫度測量。本文將從RTD比率式溫度測量的基本原理出發(fā)，詳細探討模擬前端設計的關鍵考慮因素，以期幫助系統(tǒng)設計人員實現(xiàn)高精度、低噪聲的溫度測量系統(tǒng)。

一、RTD比率式溫度測量的基本原理

RTD是一種基于電阻值隨溫度變化而變化的溫度傳感器，廣泛應用于需要高精度溫度測量的場合。在比率式測量中，RTD的電阻值與一個已知且穩(wěn)定的參考電阻(RREF)進行比較，通過測量兩者之間的電阻比來計算溫度。這種測量方式的優(yōu)勢在于能夠消除激勵電流源的精度和漂移等誤差源，從而提高測量的準確性。

二、模擬前端設計的關鍵要素

1. ADC的選擇

選擇適合的ADC是實現(xiàn)高精度RTD測量的基礎。Σ-Δ型ADC以其高精度、低噪聲和出色的線性度在溫度測量中廣受歡迎。然而，不同型號的ADC在性能上存在差異，系統(tǒng)設計人員應根據(jù)具體需求選擇合適的ADC。例如，ADI公司的AD7124-4/8系列ADC集成了多種可編程匹配激勵電流、模擬輸入緩沖器、可編程增益放大器(PGA)等特性，非常適合于RTD溫度測量。

2. RTD配置

在RTD比率式測量中，4線制配置因其能夠消除由引腳電阻產生的誤差而備受青睞。典型的4線RTD比率式測量電路如圖1所示。通過合理設計電路中的電阻和電容值，可以進一步提高測量的精度和穩(wěn)定性。

3. 低通濾波器設計

為了抑制高頻噪聲和干擾，通常需要在模擬輸入和基準電壓源引腳前添加低通濾波器。如圖2所示，R1、R2、C1、C2和C3共同構成了一階低通RC濾波器，為差分和共模電壓信號提供衰減。在設計濾波器時，需要選擇合適的電阻和電容值，以確保濾波器具有適當?shù)慕刂诡l率和噪聲抑制能力。同時，為了確保模擬輸入電壓與基準電壓保持成比例，建議在AIN和基準電壓源引腳前使用相同的電阻和電容值。

4. 過電壓保護

除了作為低通濾波器的一部分外，R1和R2還可以提供過電壓保護。例如，在圖6所示的電路中，如果在AD7124-4的AIN引腳前使用3kΩ電阻，則最高可保護30V的接線錯誤。然而，不建議使用更大的電阻值，因為它們會產生更多的熱噪聲，并且AIN引腳的輸入電流將流過這些電阻并引入誤差。

5. 噪聲優(yōu)化

噪聲是影響溫度測量精度的另一個重要因素。為了降低噪聲水平，系統(tǒng)設計人員需要仔細選擇電阻和電容值，并考慮其匹配性。表1列出了在模擬和參考輸入路徑前具有匹配和不匹配濾波器時的噪聲水平。從表中可以看出，使用匹配的模擬前端電路可以顯著降低噪聲水平，從而提高ADC的無噪聲位數(shù)。

6. 激勵電流源的選擇

激勵電流源的精度和穩(wěn)定性對RTD測量的準確性有重要影響。ADI公司的AD7124-4/8系列ADC提供了6種可編程匹配激勵電流，從50μA到1mA不等。系統(tǒng)設計人員可以根據(jù)具體需求選擇合適的激勵電流，以平衡測量精度和功耗。

三、案例分析

以ADI公司的CN-0381電路筆記為例，該電路采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC AD7124，實現(xiàn)了全集成式4線RTD測量系統(tǒng)。在?50℃至+200℃的溫度范圍內，通過兩點校準和線性化，3線系統(tǒng)的整體精度優(yōu)于±1℃。在全功率模式下，選擇sinc4濾波器，輸出數(shù)據(jù)速率為50SPS時，系統(tǒng)的典型無噪聲碼分辨率為17.9位;在低功耗模式下，選擇后置濾波器，輸出數(shù)據(jù)速率為25SPS時，系統(tǒng)的典型無噪聲碼分辨率為16.8位。

四、結論

RTD比率式溫度測量的模擬前端設計是一個復雜而精細的過程，需要系統(tǒng)設計人員綜合考慮ADC的選擇、RTD配置、低通濾波器設計、過電壓保護、噪聲優(yōu)化以及激勵電流源的選擇等多個因素。通過合理設計模擬前端電路，并選擇合適的元件和參數(shù)，可以實現(xiàn)高精度、低噪聲的RTD溫度測量系統(tǒng)。同時，隨著電子技術的不斷發(fā)展，新的元件和算法不斷涌現(xiàn)，為RTD溫度測量的進一步優(yōu)化提供了更多可能性。