铂电阻温度检测器(PRTD)和ADC应用

高端工业和医学应用需要在整个温度范围提供±1°C至±0.1°C，甚至更高精度的温度测量，并且价格合理、功耗较低。此类应用的测温范围(-200°C至+1750°C)通常需要使用热电偶和铂电阻温度(RT)检测器，即PRTD。 

PRTD基础

三种常见的PRTD包括PT100、PT500和PT1000，0°C下分别呈现100Ω、500Ω和1000Ω阻值。也有成本稍高的大阻值传感器，例如PT10000。PT100曾经非常流行，但目前趋势是使用阻值更高的传感器，以稍高或同等成本提供更高的灵敏度和分辨率。典型代表是PT1000，0°C下的电阻值为1kΩ。

Vishay®、JUMO Process Control等多家厂商可提供标准SMD尺寸(类似于表贴电阻封装)的PRTD，价格通常不到1美元，具体取决于电阻值、尺寸大小和容限。此类器件大幅降低了温度传感器成本，并为设计人员提供在任何印制板(PCB)上PRTD替代产品的灵活性。以下电路采用了比较常见的高性价比PTS1206，是由Vishay Beyschlag提供的1000Ω PRTD¹。PRTD传统测量方法是采用电流源激励，如图1所示²。

图1. PRTD可采用4线(a)、3线(b)或2线(c)接口检测温度。每种设计均向ADC (这里为MAX1403)提供差分信号。

远端测量且采用不同引线时，图1a所示4线(开尔文连接)架构可以获得最精确的测量结果。这种方法中，电流承载线与测量线完全独立。该配置中，OUT1为PRTD提供200µA电流，OUT2保持浮空。对于RTD没有安装在ADC附近的大多数工业应用，由于每根引线都会增加系统成本，引发可靠性问题，所以更倾向于使用较少的引线。

如果引线相似，图1b所示3线温度检测技术更经济，且读数准确。这也是其得到普遍使用的原因。MAX1403 ADC的两个匹配电流源抵消了引线电阻的IR误差。OUT1和OUT2均源出200µA电流。

图1c所示2线技术最为经济，但只用于已知引线寄生电阻且电阻固定不变的场合。通常利用微处理器或DSP的内部计算对引线的IR误差进行补偿。由于PT1000 PRTD较高的阻值，受引线电阻的影响较小，同时也降低了自身发热产生的误差，所以，即使采用2线配置也能直接连接ADC。

MAX11200 ADC可以采用不同类型的PRTD，表1列出了该ADC的部分重要特性。

表1. MAX11200的主要技术指标

  MAX11200 Comments Sample rate (sps) 10 to 120 The MAX11200's variable oversampling rate can be opTImized for low noise, and for -150dB line-noise rejecTIon at 50Hz or 60Hz. Channels 1 GPIOs allow external mulTIplexer control for mulTIchannel measurements. INL (max, ppm) ±10 Provides very good measurement linearity Offset error (µV) ±1 Provides almost zero offset measurements Noise-free resolution (bits) 19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10sps Very high dynamic range with low power VDD (V) AVDD (2.7 to 3.6)
DVDD (1.7 to 3.6) AVDD and DVDD ranges cover the industry's popular power-supply ranges. ICC (max, µA) 300 Highest resolution-per-unit power in the industry; ideal for portable applications GPIOs Allows external device control, including local multiplexer control. Input range 0 to VREF, ±VREF Wide input ranges Package 16-pin QSOP, 10-pin µMAX® (15mm²) 10-pin µMAX offers very small size for space-constrained designs.

 

作为电流激励的替代方案，可以采用高精度电压源激励PRTD。对于较高阻值的PRTD，电压激励更合适，可以利用ADC的电压基准为PRTD提供偏压。PRTD可直接连接到ADC，ADC基准通过一个高精度电阻提供PRTD偏置电流(图2)。ADC即可以高精度比例测量温度。

图2. 该电路采用电压激励，非常适合配合高阻值PRTD工作。

假设引线电阻的量级远低于RA和RT，可采用下式计算：

VRTD = VREF × (RT/(RA + RT)) (式1)

式中，RA为限流电阻；RT为t°C时的PRTD电阻；VRTD为PRTD电压；VREF为ADC基准电压。同时：

VRTD = VREF × (AADC/FS) (式2)

式中，AADC为ADC输出编码，FS为ADC的满幅编码(即，对于单端配置的MAX11200，为223-1)。合并式1和2：

RT = RA × (AADC/(FS - AADC)) (式3)

从式3可知，RA必须满足RT指标规定的精度要求。