用RTD實(shí)現(xiàn)高性能精密溫度測(cè)量

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）溫度測(cè)量在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)里都是一類非常常見的測(cè)量指標(biāo)，溫度作為許多終端設(shè)備里關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，有不少測(cè)量辦法。RTD、熱敏電阻、熱電偶都是溫度測(cè)量中具有代表性的模擬元件。在不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)所需的精度和測(cè)量的溫度范圍選取合適的溫度傳感方式。

精密溫度測(cè)量中的RTD

熱敏電阻是我們此前常關(guān)注的一類溫度傳感，作為一種簡(jiǎn)單的小尺寸方案，它響應(yīng)時(shí)間極快，NTC芯片層面的響應(yīng)時(shí)間在1秒左右，傳感器層面的響應(yīng)時(shí)間也可以達(dá)到15秒以下甚至10秒以下。不過其非線性程度差，和其他溫度測(cè)量相比也不夠耐用，而且熱敏電阻的自發(fā)熱肯定會(huì)對(duì)精度造成影響。這里沒有算上線性PTC這類熱敏電阻，雖然線性PTC解決了NTC在溫度測(cè)量上的各種缺點(diǎn)，是精密溫度測(cè)量里的一種很好的選擇，但是其應(yīng)用還不夠廣泛而且成本高。

數(shù)字溫感在新型應(yīng)用場(chǎng)景里很流行，各方面性能也很突出，不過溫度范圍受限的天生劣勢(shì)也是無法避免的。熱電偶同樣如此，作為能達(dá)到很高精度的測(cè)量方案，劣勢(shì)在于需要冷端補(bǔ)償為其提供誤差修正。

在溫度測(cè)量范圍很寬的應(yīng)用里（－200℃到850℃），這次我們關(guān)注的RTD是相當(dāng)耐用且足夠精準(zhǔn)的一種選擇。在整個(gè)溫度范圍里，RTD的響應(yīng)可以呈現(xiàn)出幾乎線性的特征，靈敏度也能高達(dá)幾百μV/℃。不論是選擇3線還是4線方案，都是精密溫度測(cè)量里很可靠的選擇。

2線的配置最簡(jiǎn)單，但由于傳感器引線電阻，存在固有的不準(zhǔn)確性也無法直接補(bǔ)償，精密溫度測(cè)量里不會(huì)采用2線的方案。精密溫度測(cè)量里RTD最常見的配置是3線，帶補(bǔ)償回路在測(cè)量時(shí)消除引線電阻的影響。測(cè)量設(shè)備先測(cè)量傳感器和連接引線的總電阻，再測(cè)量補(bǔ)償回路電阻，進(jìn)而確定實(shí)際凈電阻。4線RTD精度更高，完全消除了引線電阻的影響，這種配置的溫度測(cè)量精確度更高，但許多工業(yè)控制器/測(cè)量設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)真正的四線測(cè)量，而且成本不低。

RTD精密測(cè)溫挑戰(zhàn)

在寬溫度范圍內(nèi)選用RTD方案進(jìn)行高精度與高穩(wěn)定性的溫度測(cè)量實(shí)現(xiàn)起來還是有著不少挑戰(zhàn)的，首先就是電流和電壓的選擇。RTD是無源器件，為了產(chǎn)生測(cè)量電壓，需要激勵(lì)電流。一般來說采用比率式配置，基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓都是從同一個(gè)激勵(lì)源處獲得，對(duì)激勵(lì)源的要求可以不用那么精確。激勵(lì)電流任何的變化都不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響，即便激勵(lì)電流噪聲比較大或者不太穩(wěn)定。一般來說更高的激勵(lì)電流更好，但是必須確保大電流下電阻功耗過大或者自發(fā)熱影響測(cè)量結(jié)果，這需要在電流值和性能之間做出取舍。

穩(wěn)定性上同樣具有不少挑戰(zhàn)，雖然RTD溫度測(cè)量前端可以承受一定的ESD電平，但精密溫度測(cè)量場(chǎng)景里往往電磁環(huán)境也比較復(fù)雜。比如RTD傳感器電纜上的耦合就有可能讓整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨EMI挑戰(zhàn)。尤其在工業(yè)場(chǎng)景中，傳感器電纜越長(zhǎng)，這種風(fēng)險(xiǎn)越大。

一些常見的保護(hù)器件會(huì)被配置到測(cè)量系統(tǒng)中以增加測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性。以大家熟知的TVS為例，在RTD測(cè)溫系統(tǒng)里，具有更高擊穿電壓的TVS給系統(tǒng)帶來的誤差會(huì)越小。雖然保護(hù)器件的加入會(huì)稍微增加測(cè)溫系統(tǒng)的總誤差，但是穩(wěn)定性也更高，而且RTD可以通過配置激勵(lì)電流減少保護(hù)器件加入后的誤差。

測(cè)溫系統(tǒng)中的ADC

溫度測(cè)量里對(duì)采樣速度的要求并不是很高，通常都是以低速測(cè)量為主，但是對(duì)分辨率的要求很高。很多廠商提供的測(cè)溫前端里都采用Σ-Δ架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這種高分辨率低帶寬要求的ADC。Σ-ΔADC能夠?qū)δM輸入過采樣，進(jìn)一步減少外部濾波。良好信噪比SNR也是必不可少的，方便數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。

一些ADC會(huì)直接集成PGA、激勵(lì)電流、基準(zhǔn)電壓源，還能實(shí)現(xiàn)比率式配置，大大簡(jiǎn)化RTD測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

小結(jié)

RTD在精密測(cè)溫上想要兼顧高精度與高穩(wěn)定性既要考慮噪聲非常低的PGA、分辨率足夠高的ADC還需要綜合考慮激勵(lì)電流配置以及其他保護(hù)元器件。如何做好這些配置間的平衡是精密測(cè)溫RTD傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵。