一文详解如何将多路复用系统误差最小化

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。

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）。

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。

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