使用分壓器進(jìn)行 RTD 測(cè)量
　　可以使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器將 RTD 電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖 1 顯示了鉑 RTD 的典型電路圖。圖中的 Pt1000 表示在 0 °C 時(shí)標(biāo)稱電阻為 1000 Ω 的鉑 RTD。
　　　圖 1.鉑 RTD 的示例電路圖。
　　與大多數(shù)電阻式傳感器一樣，RTD 傳感器響應(yīng)測(cè)量物理量的變化時(shí)變化的百分比相對(duì)較小?？紤]到這一點(diǎn)，Pt1000 的溫度系數(shù)約為 3.85 Ω/°C。讓我們看看節(jié)點(diǎn) A 處的電壓變化有多大。
　　假設(shè)我們需要以 0.2 °C 的分辨率測(cè)量溫度，這可能是一個(gè)相對(duì)苛刻的要求。如果溫度從 0 °C 變?yōu)?0.2 °C，傳感器電阻將從 1000 Ω 增加到 1000.77 Ω。這會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn) A 的電壓從 1.5 V 變?yōu)?1.500577 V，計(jì)算如下：
　　\[V_{A}=\frac{R_{rtd}}{R_{rtd}+R_{1}}\times V_{exc}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}=1.500577V\]
　　因此，溫度改變 0.2 °C 會(huì)使節(jié)點(diǎn) A 的電壓改變約 577 μV。我們可以直接測(cè)量 V A來確定 RTD 電阻值和溫度；但是，我們的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的分辨率來檢測(cè) 1.5V 信號(hào)中毫伏級(jí)的變化。將 1.5 V 除以所需的最小步長(zhǎng)（577 μV），我們可以估算出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無噪聲計(jì)數(shù)，其結(jié)果為：
　　\[無噪聲計(jì)數(shù)=\frac{1.5V}{577 \mu V}\approx2600\,counts\]
　　這相當(dāng)于無噪聲分辨率約為 log 2 (2600) = 11.34 位。請(qǐng)注意，這僅給出了 A/D 分辨率的近似值。實(shí)際要求更為嚴(yán)格，取決于溫度計(jì)的設(shè)計(jì)溫度范圍。此外，我們用 3.85 Ω/°C 的恒定溫度系數(shù)對(duì) RTD 進(jìn)行建模，而 RTD 實(shí)際上是非線性設(shè)備。
　　當(dāng)今的delta-sigma (ΔΣ) 轉(zhuǎn)換器可以輕松實(shí)現(xiàn) 11 位無噪聲分辨率。因此，我們可以使用圖 1 中的電路以及 ΔΣ 轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字化 RTD 兩端的電壓。
　　然而，幾十年前，這種高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器尚未面世或不經(jīng)濟(jì)；電路設(shè)計(jì)人員使用惠斯通電橋電路等技術(shù)進(jìn)行 RTD 測(cè)量。雖然電橋電路在其他領(lǐng)域（例如力和壓力傳感應(yīng)用）仍很常用，但它們很少用于 RTD 測(cè)量。盡管如此，為了完整起見，我們將在下面簡(jiǎn)要討論電橋電路如何放寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的要求。
　　傳統(tǒng)方法：使用惠斯通電橋進(jìn)行 Pt1000 測(cè)量
　　圖 2 顯示了用于 Pt1000 測(cè)量的基本惠斯通電橋?！　t1000 的惠斯通電橋測(cè)量示例。

　　圖 2. 惠斯通電橋測(cè)量 Pt1000 的示例。
　　輸出電壓是兩個(gè)分支之間的電壓差。實(shí)際上，橋式電路將單端測(cè)量從簡(jiǎn)單的分壓器分支變?yōu)椴罘譁y(cè)量。在這種情況下，當(dāng)橋平衡時(shí)（0°C），輸出為 0 V。如果溫度上升 0.2°C，輸出將增加到 577 μV，計(jì)算如下：
　　\[V_{OUT}=V_{A}-V_{B}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}-\frac{1000\times3}{1000+1000}=577\mu V\]　　在這種情況下，反映 RTD 電阻變化的所需信號(hào)不會(huì)疊加在較大的直流信號(hào)之上。輸出僅包含我們要測(cè)量的信號(hào)。要確定 ADC 的無噪聲分辨率，我們應(yīng)考慮溫度計(jì)整個(gè)溫度范圍內(nèi) V OUT的最大值和最小值。假設(shè)我們需要測(cè)量 -40 °C 至 150 °C 的范圍。在此溫度范圍內(nèi)，RTD 電阻從 842.47 Ω 變?yōu)?1573.25 Ω 。我們可以使用此信息確定 V OUT的最大值和最小值，如下表 1 所示：

　　　由于應(yīng)檢測(cè)到的最小變化為 577 μV，因此系統(tǒng)的無噪聲計(jì)數(shù)可通過以下方式計(jì)算：
　　\[無噪聲\,計(jì)數(shù)\,=\frac{V_{OUT,max}-V_{OUT,min}}{步長(zhǎng)\,大小}=\frac{0.334159-(-0.128249)}{577\mu V}\approx 802\,計(jì)數(shù)\]
　　這相當(dāng)于 9.65 位無噪聲分辨率。如您所見，基于橋式測(cè)量的整個(gè) 190 °C 溫度范圍內(nèi)獲得的 ADC 分辨率仍然比分壓器方法的單次測(cè)量獲得的分辨率更寬松。
　　RTD 應(yīng)用的橋接電路限制
　　盡管橋式電路可以減輕 ADC 要求，但這種方法也有一些缺點(diǎn)。橋式輸出取決于橋式配置中采用的電阻值。這種限制就是為什么需要三個(gè)精密電阻來完成橋式結(jié)構(gòu)的原因。除了這個(gè)考慮因素之外，具有單個(gè)傳感元件的橋式電路是非線性的。因此，除了 RTD 非線性之外，設(shè)計(jì)人員還必須補(bǔ)償橋式電路的非線性響應(yīng)。可以使用軟件或模擬技術(shù)來線性化橋式電路，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。使用橋式電路時(shí)，我們還需要具有較大共模抑制的儀表放大器，以提供高且相等的輸入阻抗。
　　由于這些限制，并且注意到現(xiàn)代delta-sigma 轉(zhuǎn)換器可以輕松滿足并超越 RTD 應(yīng)用的要求，電路設(shè)計(jì)人員通常不使用橋式電路進(jìn)行 RTD 測(cè)量。
　　使用 Delta-Sigma 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 RTD 傳感器測(cè)量　　圖 3 顯示了 RTD 傳感器與ΔΣ ADC接口的簡(jiǎn)化圖。

　　與 RTD 傳感器和 ΔΣ ADC 接口的簡(jiǎn)化圖
　　圖 3. 與 RTD 傳感器和 ΔΣ ADC 接口的簡(jiǎn)化圖
　　對(duì)于 22 位 ADC 和 3 V 參考電壓，LSB（最低有效位）等于 \(\frac{3}{2^{22}}\approx0.72\,\mu V\)。
　　對(duì)于這些高分辨率 ADC，最小可檢測(cè)信號(hào)通常受 ADC 內(nèi)部電子噪聲（例如內(nèi)部電路產(chǎn)生的熱噪聲和閃爍噪聲）的限制，而不是ADC 的量化噪聲。如果您需要復(fù)習(xí) ΔΣ ADC 的噪聲性能，可以參考德州儀器的這一系列十二篇精彩文章。
　　ΔΣ ADC 的峰峰值輸入?yún)⒖荚肼暱赡茉谖⒎蚋偷牧考?jí)。假設(shè) ADC 的輸入?yún)⒖荚肼暈?3 μV p-p。對(duì)于圖 3 中的電路，我們可以找到 RTD 電壓 Vrtd 的最大值和最小值，如下表 2 所示：
　　表 2.
　　溫度（℃）電阻率(Ω)電壓( V)
　　-40842.471.3717
　　1501573.251.8342
　　利用這些信息，我們可以計(jì)算出系統(tǒng)在-40°C至150°C溫度范圍內(nèi)的無噪聲計(jì)數(shù)，如下所示：
　　\[無噪聲\,計(jì)數(shù)\,=\frac{V_{OUT,max}-V_{OUT,min}}{輸入相關(guān)\,噪聲}=\frac{1.8342 - 1.3717}{3\mu V}=154166\,計(jì)數(shù)\]
　　將溫度范圍除以無噪聲計(jì)數(shù)，我們可以得到溫度測(cè)量分辨率：
　　\[溫度分辨率=\frac{T_{max}-T_{min}}{無噪聲\,計(jì)數(shù)}=\frac{150-(-40)}{154166}=0.0012°C\]
　　雖然這種精度水平確實(shí)令人興奮，但應(yīng)該注意的是，還有其他幾個(gè)誤差源阻礙我們實(shí)現(xiàn)如此高的性能。R 1的初始公差和溫度漂移以及 ADC 失調(diào)電壓和失調(diào)漂移是其中幾個(gè)誤差源。然而，上述計(jì)算證實(shí)，現(xiàn)代 ADC 的噪聲性能和分辨率足以實(shí)現(xiàn)精密測(cè)溫；然而，設(shè)計(jì)人員需要消除其他主要誤差因素以保持系統(tǒng)精度。
　　請(qǐng)注意，在上述示例中，偏置電阻 R 1 的值相對(duì)較小。實(shí)際上，可能需要更大的電阻來限制 RTD 自熱效應(yīng)。
　　RTD 應(yīng)用的比例測(cè)量
　　雖然本文中的不同圖表使用電壓源來激勵(lì) RTD，但許多 RTD 應(yīng)用使用電流源來激勵(lì)傳感器。此外，RTD 應(yīng)用通常從激勵(lì)傳感器的同一源獲取 ADC 參考電壓。這種稱為比率測(cè)量的技術(shù)可最大限度地減少由傳感器激勵(lì)源或 ADC 電壓參考的不良變化引起的誤差。在下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論并了解 RTD 應(yīng)用如何從比率測(cè)量中受益。