AN1154

AN1154
用于温度传感的精密 RTD 测量
作者:
解决方案
Ezana Haile
Microchip Technology Inc.
本解决方案采用一个共用的基准电压给 RTD 和 ADC 提
供偏压,使 ADC 的分辨率和 RTD 温度分辨率之间形成
固定的比例关系。只需一个偏压电阻 RA 即可设定测量
分辨率的比例 (公式 1)。
简介
精 密 电 阻 式 温 度 检 测 器 (Resistive
Temperature
Detector, RTD)测量是高性能热管理应用的关键。该
应用笔记介绍如何用一个高分辨率 - 模数转换器
(Analog-to-digital converter, ADC)和两个电阻来按
比例测量 RTD 的电阻。在 RTD 的温度范围为 -200°C
至 +800°C 时使用单点校准,可以达到 ±0.1°C 的精度和
±0.01°C 的测量分辨率。
公式 1:
RTD 电阻值


Code
R RTD = R A  ----------------------------------
 2 n – 1 – Code
其中:
高精度 - ADC 非常适用于诸如工业仪表或者医疗仪
器之类的高性能热管理应用。对于传统应用, RTD 由
一个恒流源提供偏压, RTD 两端的压降通过一个仪表
放大器进行信号的调理,这就需要多个电阻电容以及几
个运算放大器和 / 或独立的仪表放大器。这种模拟测量
技术需要低噪声且稳定的系统,来校准和精确地测量温
度。还需要操作工在生产时进行优化。采用 - ADC
方案时,RTD 直接连接 ADC(Microchip 的 MCP3551
系列 22 位 - ADC),而一个小公差电阻用于从 ADC
的参考电压给 RTD 提供偏压(图 1),按比例精确测量
温 度。一 个 低 压 差 线 性 稳 压 器 (Low
Dropout
Regulator, LDO)用于提供基准电压。
Code
=
ADC 输出数据
RA
=
偏置电阻
n
=
ADC 位数
(有符号 22 位, MCP3551)
例如, 2V 的 ADC 基准电压 (VREF)对应 1 µV/LSb
(最低位)的分辨率。设置 RA = RB = 6.8 k 对应
111.6 µV/°C 的温度系数 (PT100 RTD 的温度系数为
0.385/°C)。这样在整个 20 至 320 或者 -200°C 至
+800°C 的整个范围内都达到 0.008°C/LSb 的温度测量
分辨率。使用 0.1% 100 电阻进行单点校准可提供
±0.1°C 的精度 (如图 1 所示)。
这种办法提供了一个需要最少校准的易于实现方案。然
而,整个系统的精度取决于多个因素,比如 RTD 类型,
偏置电路的公差及稳定性,由于功耗及自发热引起的误
差,以及 RTD 的非线性。
VDD
C*
C*
RB 5%
VREF
1 µf
VDD

PIC
单片机
3
RA 1%
VREF
MCP3551
SPI
+
RTD
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-200
* 见 LDO 数据手册
图 1:
Measured Accuracy (
(癈C)
)
VLDO
LDO
0
200
400
600
800
Temperature (
(癈C)
)
RTD 测量电路框图及输出性能 [3]
 2012 Microchip Technology Inc.
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比率测量
通过公式 3 求解 RRTD,得:
比率测量技术的关键在于温度测量精度并不取决于基准
电压的精度。由于电源分压的关系, ADC 基准电压随
着 RTD 电阻的变化而改变(公式 2)。这种测量可以保
持固定的分辨率。在省去昂贵的偏置恒流源或者电压源
的同时,提供高精度的温度测量解决方案。图 2 所示为
采用 ADC 基准的电路框图。
公式 4:
公式 2:
基准电压
测量分辨率与 ADC 特性
R A + R RTD
= -------------------------------------R A + R B + R RTD
公式 5:
V REF
1 µf
VREF
VDD
1 µf
+
MCP3551
RTD
RTD 偏置电路
RA 与 RB 必须足够大以减小由于自发热引起的误差,并
保证合适的测量分辨率。
公式 3 和公式 4 所示由于 VREF 和 RB 的比例关系而相
互抵消。它们不会影响 RTD 电阻的转换结果。这个等
式关系可以通过8位单片机比如PIC18F系列轻松实现。
公式 3:
VREF(V)
=
基准电压
n
=
ADC 位数
(有符号 22 位, MCP3551)
这个方案的关键在于 ADCLSb_quanta 和 RRTD 的正比
例关系。温度测量的分辨率取决于公式 6 所示。
-
SPI
图 2:
ADC 分辨率
V REF
ADC RESOLUTION = --------------n – 1
2
RA 1%
VDD
3


Code
R RTD = R A  ----------------------------------
n
–
1
2
– Code
其中:
VREF
RTD 电阻与 ADC 输出数据的
关系
RTD 两端电压
公式 6:
温度测量分辨率
其中:
ADC RESOLUTION
T RES = ------------------------------------------ V RTD
TRES(°C/LSb)
0.01
VREF(V)
=
基准电压
Code
=
ADC 输出数据
n
=
ADC 位数
(有符号 22 位, MCP3551)
TRES (癈 /LSb)
RTD 电压
TRES( C/LSB)
其中:
=
温度测量分辨率
当 RA = RB = 6800,偏置电流约为 290 µA。使得温度
的分辨率 < 0.01°C/LSb。由于 RTD 阻值随着温度的变
化而改变, IBIAS (偏置电流)随着变化,而温度分辨
率保持在 0.01°C/LSb 以下如图 3 所示。
R RTD
Code-
V RTD = V REF  -------------------------- = V REF  -----------n – 1
R A + R RTD
2
VRTD(V)
=
0.0096
0.0092
0.0088
0.0084
-200
0
200
400
600
800
C)
Temperature(
(癈)
图 3:
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TRES 与 RTD 电阻
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Linear Polynomial Error
50
Full Polynomial Error
0.05
40
0.00
30
20
-0.05
Linear Polynomial Error
10
600
500
400
300
200
100
0
-0.10
-100
0
-200
而 MCP3551 和 MCP3553 ADC 的输入失调噪声分别为
2.5 µV(典型值)和 6 µV(典型值)。在温度转换时需
要考虑到这个参数所引入的失调误差。+25°C 时的失调
误差为 12 µV(最大值)。这意味着会有最高达 12 LSb
的闪烁噪声或者温度测量的最高精度为 0.09°C (公
式 6)。可以通过对温度的多次采样求均值来精确确定
温度。
0.10
60
Full Polynomial Error
22 位差分 ADC MCP3551 的特性非常适合这类应用使
用。必须仔细考虑的几个性能参数,包括转换精度和噪
声特性。 MCP3551 的最大满量程误差为 10 ppm 而误
差温漂为 0.028 ppm/C。积分非线性最大值为 6 ppm。
对整个温度测量精度的影响而言,这些特性的数值是非
常小的。设置 IBIAS 约为 300 µA,在 RTD 的整个温度
范 围 内 对 应 ADC 的 输 入 电 压 范 围 约 为 100 mV
(VRTD)。由此这个误差比 ADC 数据手册中的满量程误
差要小得多。
( C)
Temperature (癈
)
图 4:
RTD 到温度转换误差
电源噪声
RA 公差与测量精度
RA 特性的变化会导致温度精度的误差。RA 公差为1%时
对应 20°C 误差而 0.1% 的公差则对应 2°C 误差。对于
精密温度测量应用,必须校准低公差精度电阻 RA。
为了精确校准 RA,可以用一个校准电阻代替 RTD,比
如 100 0.1% 公差的电阻,可以重新整理公式 4 以确
定 RA。
RTD 温度计算
RTD特性曲线具有显著的非线性。对应不同的RTD类型
和规格,其电阻对应温度的转换公式均已明确并标准
化。 PT100 RTD 的转换公式可以查阅美国材料试验学
会 (ASTM) [1] E1137E 规范。
图 4 所示为忽略 RTD 二次及高次幂误差所出现的误差。
另一个误差源是系统供电。大部分便携式系统供电采用
开 关 式 稳 压 器 会 产 生 高 频 噪 声,典 型 的 开 关 频率 为
100 kHz。其他噪声源还包含系统主处理器或者振荡器
的数字开关噪声。这种高频噪声可以耦合到整个系统并
直接影响测量精度。因此,高性能传感器应用中需要采
用模拟滤波器。
供电电压 VDD 连接到 LDO 的输入端之前必须用 1 kHz
左右低截止频率的阻容网络 (RC 网络)进行滤波。通
过滤波后的电压可以采用低压差线性稳压器(LDO)设
定在需要的电压值。参考 LDO 数据手册的压差参数来
设定 LDO 输出电压。图 1 所示为典型的配置。两个 RC
滤波器提供了 40 dB 每十倍频的效果。
VDD
R
C
图 5:
R
LDO
VLDO
C
RTD 偏置电路
注意, RC 滤波器应用在 LDO 之前。通常 LDO 在较高
频率的电源噪声抑制比 (PRSS)约为 0 dB。因此,有
必要对输入电压进行滤波以防止噪声通过 LDO 耦合到
ADC 和 RTD。
另外,在设计 PCB 布线时,应避免将数字信号走线过
于靠近 RTD 偏置电路。
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RTD 由于自身功耗发热产生的影响
公式 7:
V RTD
P RTD = -----------R RTD
RTD 通电后,由于自身功耗产生的热量会影响到系统的
精度。减小所通过电流的大小可以降低这种影响。在适
当的供电电压范围和测量分辨率条件下,电流应尽量小
以降低自身功耗发热。理想的情况是由于自身功耗发热
所增加的温度,必须低于温度测量的最小分辨率 TRES
(公式 6)。
其中:
PRTD (瓦特) =
为确定由于自身功耗发热所引起的误差,可以参考 RTD
数据手册中的自身功耗发热系数参数,其单位为摄氏度
每毫瓦 (°C/mW)。这个系数可用于将功耗产生的热量
转化为温度。例如,一个 0.2°C/mW 自身功耗发热系数
的小封装表贴 PT100 RTD,在 0°C (100)时通过
300 µA 偏置电流将产生 0.002°C 的温升,而当温度较高
(350)时可达 0.006°C。在这种情况下,由于自身功
耗发热所导致的最高发热温度低于 0.008°C TRES。因
此,由于自发热引起的误差是测量不到的。
表 1:
RTD 功耗
RTD 上的功耗
测试结果
图 1 所示为利用 Microchip 的 MCP3551 ADC 器件 [3]
验证这种测量方法。
比例测量方案使用经过校准的 RTD 仿真器 [4] 所得到的
数据,如表 1 所示。图 1 所示比例关系可提供最高测量
精度。
使用 RTD 仿真器得到的比例测量结果
比例测量
电阻值 ()
实际值
测量值
测得温度 —— 完全多项式
(°C)
测量误差
(°C)
-200
18.52
18.51
-200.02
0.02
-150
39.72
39.72
-150.01
0.01
-100
60.26
60.25
-100.01
0.01
-50
80.31
80.32
-49.97
-0.03
0
100
100
0
0
温度 (°C)
50
119.4
119.41
50.03
-0.03
100
138.51
138.49
99.96
0.04
150
157.33
157.33
150.01
-0.01
200
175.86
175.84
199.96
0.04
250
194.1
194.08
249.95
0.05
300
212.05
212.03
299.94
0.06
350
229.72
229.7
349.95
0.05
400
247.09
247.08
399.97
0.03
450
264.18
264.17
449.97
0.03
500
280.98
280.96
499.95
0.05
550
297.49
297.47
549.95
0.05
600
313.71
313.7
599.98
0.02
650
329.64
329.61
649.97
0.03
700
345.28
345.28
699.99
0.01
750
360.64
360.6
749.97
0.03
800
375.7
375.68
799.92
0.08
850
390.48
390.45
849.93
0.07
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 2012 Microchip Technology Inc.
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结论
参考文献
Microchip 的 MCP3551 差分 ADC 适用于高性能热管理
应用。该应用笔记探讨了一个 RTD 应用,这个应用利
用了 ADC LSb 数值与 RTD 温度系数之间的比例关系。
通过采用小公差电阻和一个基准电压源来给 RTD 和
ADC 供电,在 -200°C 至 800°C 的温度范围内,通过比
例测量温度达到了 0.01°C 的分辨率。采用单点校准即
可达到 0.1°C 的精度。
1.
2.
3.
这种办法减小了高性能 RTD 测量系统通常所需要的恒
流源和复杂的测量系统。这种技术提供了适用于所有
RTD 的低成本、高性能并易于实现的方案。
 2012 Microchip Technology Inc.
www.astm.com
美国国家标准技术研究所 (NIST)
RTD 演示板
(于 2008 年 6 月发布)
4. OMEGA RTD 仿真器, CL510-7。
5. MCP3550/1/3数据手册,《低功耗的单通道22位
- 模数转换器》 , DS21950C_CN, ©2007,
Microchip Technology Inc. 版权所有。
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注:
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Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。
•
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操作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。
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FilterLab、 Hampshire、 HI-TECH C、 Linear Active
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