测温系统？本文基于AD7124-8设计了无需校准就能在-25°C~140°C的量程范围内仅有±0.15°C误差的高精度

　　本文首先将介绍RTD测温系统的理论误差计算思路，围绕RTD测温系统的误差分析和关键设计要素展开讨论；然后在-25°C~140°C范围内挑选不同温度值对RTD测温系统的误差进行实测；根据不同测温通道的测温误差曲线的一致性，使用误差曲线的拟合函数表达式补偿测温系统的误差，并验证了该方法对提升测温系统精度的有效性，整个量程范围内的误差由-0.8°C~0.2°C显著减少至-0.15°C~0.15°C；最后给出基于新产品AD4130-8的测温系统的实测噪声和误差。

　　如今，高精度的温度测量技术在工业自动化、仪器仪表和医疗设备等诸多行业和领域都发挥着重要作用。温度传感器在测温系统中是一个非常关键的部分，温度传感器能将温度信号转换成某种电学信号，从而实现测温功能。常见的温度传感器有热电偶、RTD、热敏电阻以及IC温度传感器等。

　　RTD具有线性度好、测温范围大、精度高和稳定性好等优点，在温度测量领域获得了广泛的应用。RTD是Resistance Temperature Detector的缩写，意思是电阻温度探测器，最常见的RTD类型是Pt100，这种分类命名方式中Pt表示此类RTD是用铂这种材料制成的，100表示其在0°C的时候标称电阻值为100Ω，RTD传感器一般由铂、镍或铜等纯金属制成，其他RTD种类还有Pt1000，Pt500，Pt200，Cu100，Cu10，Ni120等，生产RTD的厂家有瑞士的TE Connectivity、德国的Heraeus、美国的Honeywell等。

　　大多数RTD制造商制造的RTD均符合IEC 60751标准，标准规定铂制成的RTD按精度分为AA、A、B、C四个等级，在选择RTD时，要综合考虑其测温范围、公差及成本等要素。TE Connectivity公司的PTF系列包含了一系列使用最新薄膜技术的铂电阻制成的RTD。它们的测温范围、公差及成本如表1所示。

　　由表1可知，不同等级的RTD的误差范围逐级递增，等级越高，误差范围越小，经综合分析，B级RTD的测温范围较宽，公差也足以满足大部分的工业应用，价格相对便宜，因此选择B级的RTD作为本文使用的温度传感器，型号为PTFD101B1A0。

　　Pt100电阻-温度特性曲线测温原理是：铂的电阻值与其所处温度是接近线性相关的，温度作为RTD的输入，输出就是RTD的电阻值。与其他温度传感器相比，RTD的线性度更好，其阻值与温度之间存在相对准确的线性变化关系。德国标准DIN EN 60751规定Pt100的电阻与温度的关系如图1所示，在0°C时其电阻值为100Ω，在一定的温度范围内灵敏度为0.385Ω/°C。

　　RTD测温系统需要根据RTD电阻值计算出待测温度，因此需要通过上述公式得到传递函数的反函数，在本文中将使用如下所示公式进行计算：

　　高精度温度测量不仅需要进行RTD选型，还需要设计精密信号调理电路，要根据应用选择ADC及其外围元件并进行合适的配置，本文选用Σ-ΔADC与RTD组合。

　　公司的AD7124-8BCPZ是一款24位的Σ-ΔADC，它将精密信号调理电路高度集成，内部具有可编程电流源、可编程增益放大器(PGA)、基准电压缓冲器和模拟输入缓冲器、数字滤波器等模块， AD7124-8 的典型应用之一就是高精度的温度测量，其具有高分辨率、低积分非线性误差、低噪声有效值、低功耗及高度抑制工频干扰的特点，因此特别适合对低频信号的模数转换。电源

　　AD7124-8内部既有模拟电路也有数字电路，精密测量中最好的方法是使用两个LDO分别给模拟电路和数字电路供电，这样能最大程度的减少两部分通过电源线路的耦合，并且LDO还能够大大减少电源的噪声。

　　AD7124-8的模拟电路支持双极性供电和单极性供电，由于RTD上总是流过单一方向的电流，因此输入电压信号是单极性的，所以选择给AD7124-8的模拟部分采用单极性供电，模拟电路的电源来自固定输出电压ADP1720ARMZ-3.3-R7输出的3.3V，数字电路的电源来自另一颗固定输出电压ADP1720ARMZ-3.3-R7输出的3.3V。

　　独立可编程激励电流源可为RTD提供恒定直流电流，使得RTD上产生电压，以测量RTD的电阻值。

　　一般而言，激励电流越大越能够提高测温的灵敏度，从而提升测温性能。然而，激励电流也不是越大越好，一方面其在RTD上产生的热功率与电流大小的平方成正比，电流越大自热效应也会越大，有时会对测温造成明显的影响；另一方面受到电流源顺从电压的限制。因此，在选择激励电流值时，需要综合考虑自热效应和顺从电压。

　　图3是电流值为250uA、500uA、1000uA的自热效应产生的温度漂移结果，图中横轴是时间，单位为s，纵轴是由于自热效应导致的温度漂移的量，单位为°C；不同颜色代表不同的激励电流值，蓝色是250uA的结果，红色是500uA的结果，绿色是1000uA的结果；每种颜色的线有三条，代表同一个激励电流值下三个不同测温通道的结果，在40s的时间内，可以发现激励电流越大，自热效应导致的温度漂移就会越大。

　　顺从电压指的是非理想电流源为了保持其恒流状态，其两端电压必须要大于某一个值，否则就没有能力保持恒定电流输出从而失效，这个电压就叫做顺从电压。AD7124-8内部的电流源产生的电流选择为250uA的情况下，电流源的顺从电压为370mV，因此电流源输出电流的引脚的电压不允许超过AVDD-0.37V，AVDD为3.3V，因此外围电阻值的选取要满足以下条件：

　　使用激励电流源测量电阻的时候，也一定要使用比例式测量的方法，特别是在电流源本身的误差较大或者不稳定的情况下，这样做可以消除激励电流的公差及其变化在电阻测量中带来的误差，比例式测量指的是在使用恒流法测量电阻的应用中，使用一个精密的基准电阻，将这个基准电阻与待测电阻串联起来，使同样的激励电流流过基准电阻和待测电阻，基准电阻两端产生的电压就作为ADC的基准电压，这样由于两个电阻上流过的电流相同，使得基准电阻两端产生的基准电压与待测电阻两端产生的电压成比例，待测电阻两端电压与基准电压之比就可以转换成待测电阻值与基准电阻值之比；AD7124-8将输入信号转换得到数字信号，单极性模式用下式计算得出待测的RTD电阻值。

　　通过查阅AD7124-8的数据手册可以知道其内部集成电流源的误差典型值为±4%，如果采用常见的电压基准源作为ADC的基准电压，电流源就会引入±4%的增益误差。在本文应用中，最差的情况下会带来约为100*4%/0.385=10.4°C的测温误差，而采用比例式测量将完全消除这个误差源带来的误差。

　　PTFD101B1A0的测温范围是-50°C~600°C，根据Callendar-Van Dusen方程计算得到对应的RTD电阻值约为80.3Ω~313.7Ω，因此基准电阻的标称电阻值必须大于313.7Ω才能对全量程进行测量，且数据手册中规定外部基准电压的输入范围必须大于0.5V小于AVDD，因此0.5VI*RREF3.3V，但同时也要注意RREF不能过大超出式5顺从电压的限制条件。

　　ADC基准电压是由基准电阻上流过电流产生的，通过比例式测量消除了电流源导致的增益误差后，基准电压的误差只由基准电阻的公差和温漂贡献，最终会导致测温误差。

　　综上，选择Susumu公司制造的公差仅有±0.02%的RG1608V-392-P-T1，其标称电阻值为3.9kΩ，温漂仅有±25ppm/°C，在本文应用中，其公差造成的测温误差在最差的情况下仅有100*0.02%/0.385=0.052°C。

　　RTD有时会用于长远距离测温，超长的金属导线的引线电阻不能够忽略，从而给系统带来测温误差。目前有二线制、三线制和四线制三种接线配置方式。其中，四线为引线电阻，四线制的思想是利用两根导线）承载往返激励电流，另外两根导线）接至高阻测量端测量RTD两端电压，由于测量端具有极高的输入阻抗，导致测量端引线上几乎没有电流流过，因此与导线电阻形成的IR电压也几乎为0，从而消除引线电阻产生的误差。如果使用两线 AWG铜线 Ω/米。如果RTD的引线m，则其总引线 Ω。RTD温度系数约为0.385 Ω/°C。因此，0.16 Ω引线°C误差，这是由于引线电阻引起的误差。

　　因此，本文采用四线RTD配置方式，并且使得基准电阻可被多个RTD共享，一个AD7124-8最多可连接5个四线RTD，本文选择让每个AD7124-8连接3个四线RTD，此系统就具备三个测温通道。在多通道应用中，使能三个通道分时复用，各个通道对应的电流源输出引脚和差分模拟输入引脚如表2所示。

　　模拟输入电压和基准电压都是通过开关电容电路采样，ADC采样阶段会汲取电流，而比例式测量中模拟输入电压和基准电压都是通过激励电流产生的，如果不在模拟信号输入端和基准电压输入端使能输入阻抗为高阻的缓冲器，那么低阻的开关电容电路就会分走激励电流，导致测量失效，因此必须使能ADC内部的模拟输入缓冲器和基准电压缓冲器以进行阻抗匹配。

　　使能缓冲器后还可以让模拟信号和基准电压进入缓冲器前先通过低通RC滤波器，分别实现抗混叠滤波和减少基准电压噪声的作用，图2中的低通RC滤波器的阻值容值配置产生对共模电压16kHz的截止频率，对差模信号则是800Hz的截止频率。

　　使能基准电压缓冲器需要考虑其输入至轨电压的限制，使能了缓冲器后，基准电压输入端的绝对电压输入范围为AVSS+0.1V~AVDD-0.1V，如果直接将基准电阻的一端接地，那么REFIN1-引脚上的电压就等于AVSS，超出了允许的输入范围，因此一定要加上一个headroom电阻，其阻值必须大于0.1V/250uA=400Ω。本文选择510Ω作为headroom电阻值的选择，留有裕量的同时也没有违反顺从电压的要求。

　　AD7124-8内部集成了PGA，可以选择不同的增益来放大原始信号，从而完全利用ADC的大动态范围，减少量化噪声引起的测量不确定度。但是PGA同时存在增益误差，可以通过数据手册看到，Gain=1未开启PGA的时候，因为每个AD7124-8都在出厂前进行了增益校。