探讨如何最小化多路复用系统误差

geren2014

电阻温度检测器(RTD) 可在很多工业应用中监控€€温度。在一个分布式控制系统 (DCS)或可编程逻辑控制器 (PLC)中, 一个数据 采集模块可用来监控很多安装在远处的RTD 温度。在高性能应用中，若每个RTD 都自带激励电路和ADC，则具有最佳的精度，但数据采集模块将会体积庞大、成本高昂，且功耗高。多路复用模块具有体积较小、成本和功耗较低的特性，但可能会损失一定精度性能。本文讨论如何最小化多路复用系统误差。

电路结构

提供双线式、三线式和四线式RTD 配置，其中，双线式配置的器件成本最低，四线式器件精度最佳。三线式RTD 通常用 于工业应用中，可采用两个相同的电流源激励，以消除引脚电阻。与精密参考电阻一同使用时，电流源误差不影响测量精度。高性能ADC（如AD7792和AD7793集成激励电流源，适合高精度RTD 测量。

图1 显示片内电流源激励两个三线式RTD。RTD 通道可由多 路复用器选择，如ADG5433高压、防闩锁、三路SPDT 开关。

图1. 两个三线式RTD 多路复用至一个AD7792/AD7793 ADC

一次只能测量一个RTD。S1A、S1B 和S1C 闭合测量RTD #1； S2A、S2B 和S3B 闭合测量RTD #2。单个ADG5433 可切换两个三线式RTD；可增加额外的多路复用器处理两个以上的传感 器。RLXX表示RTD 和测量系统之间由于导线过长引入的电阻以及开关的导通电阻。

计算RTD电阻

由于S1A、S1B 和S1C 闭环测量RTD #1，RTD 电阻可计算如下：

因此，测量值仅取决于 RREF的数值（和精度）。但请记住，我们假定
IOUT1 = IOUT2 ，并且 RL1A = RL1B = RL1C。事实上，这些电流和电阻失配是测量误差的主要来源。

电流源和线路电阻失配的影响

下一步，假定两个电流源失配，比如 IOUT2 = (1 + x) IOUT1。现在，考虑下列情况：

请注意，失配会导致失调误差以及增益误差。失调误差与两个引脚电阻之间的失配有关，而增益误差与两个电流源之间的失配有关。如果不考虑这些失配情况，则根据ADC 的数据读数计算的RTD 电阻值将是不准确的。

以200 Ω RTD 为例, 表1 显示不考虑失配时，得到的数值；其 中RREF = 1000 Ω, IOUT1 = 1 mA, IOUT2 > IOUT1 （以百分比显示）， RL1A = 10 Ω,RL1C > RL1A （以电阻值显示）。

表1. 不考虑失配时的RTD 测量值

RL1C – RL1A (IOUT2 – IOUT1)/IOUT1	0.01 Ω	0.1 Ω	1 Ω
0.1%	199.88	199.79	198.89
0.5%	199.44	199.35	198.45
1.0%	198.90	198.81	197.90

最小化误差

数据显示很小的失配就会严重影响精度，因此应当使用匹配良好的电流源和开关，以便改进性能。

传递函数是线性的，因此可轻松校准电流源和电阻失配导致的初始误差。然而，失配随温度的变化而改变，这使得补偿变得 很不容易。因此，选用的器件应随温度的变化而具有低漂移特性。

若 IOUT1 ≠ IOUT2, 且电流源如图所示连接：

假定我们交换 IOUT1 和 IOUT2, 使 IOUT1 连接 VIN– 和 IOUT2 并连接 VIN+:

现在，如果我们对转换结果求和，并且电流源以初始方向连接， 同时第二次转换时交换电流源，则可得：

请注意，测量值现已独立于电流源失配。唯一的缺点是速度的损失，因为每次RTD 计算都需经过两次转换。

AD7792 和AD7793 针对该应用设计。如图2 所示，通过写入 I/O 寄存器，集成开关可简化电流源到输出引脚的交换。

图2. AD7792/AD7793 功能框图
结论

在AD7792/AD7793 器件内交换激励电流源可改善多路复用 RTD 测量电路的精度。计算显示了电流源和线路电阻之间失配 问题的重要性

作者Henry He