用电子表格设计RTD接口

使用电子表格和一些简单的数学方法，将线性化接口设计成非线性RTD。

RTD(电阻温度检测器)是高精度设计的首选传感器。RTD虽然在0到100°C的有限温区内近似为线性，但随着测量温度的范围逐渐加宽，这些传感器的电阻非线性呈现出轻微但逐渐增大的趋势。因此，在扩大的温度范围里，如果为使系统实现高精度，曲线拟合是必要的。避免RTD传感器非线性特征的一个方法是，在其他信号处理之前设计类似硬件实现曲线拟合运算。这个方法特别适用于价格低和器件数少，和微处理器设计不可行的情况。器件数少对小PCB(印制板)管脚有额外的好处。

最常用的RTD由0°C 100Ω的铂电阻制造，金属纯度导致它们符合标准带正温系数α为0.00385Ω/Ω/°C的欧洲曲线。不常用但仍可用的稍高金属纯度RTD。这些RTD有0.00392Ω/Ω/°C的α，符合美国曲线。图1电路使用标准RTD测量0到350°C的扩展温区，输出0到3.5V的电压，全程系统精度高于0.5°C。下面的线性方程表示了这个传感器系统：

IC1为管脚可配置型，通过接地传感器T1驱动400µA的恒定电流。用这个水平的电流

驱动T1——“零功率”工作——保持传感器中电路消耗的最差功率小于40µW，减少对二阶效应的自热误差(参考文献1)。用电流源驱动RTD也保持其固有的非线性，允许表示传感器的输出电压VS为400µA×RS，在这里RS为传感器电阻。

IC2最初通过先缩放输出电压，再将结果偏置的方法，实现传感器输出的信号调理，所以VT稍大于350°C下的3.5V输出，VT在0°C下为0V。在线性化处理之前加入增益和偏置，减少了曲线拟合电路的负担，且有助于满足系统的精度指标。C1与R5结合实现了单极约10Hz的低通滤波，消除电源噪声。下面的公式描述了IC2的性能和其伴随电路：VT=75VS–3V。

其次，Excel表格建立了电压VT和系统输出VO之间的非线性数学关系(表1)。表格有17个温度条目，从0°C到400°C，以25°C递增。使用数组扩充超过预设的350°C测量温度范围，减少非线性系统的端误差。RS值——来源于标准RTD电阻随温度表——方程用于计算VS和VT。VT和VO的列对于线性化电路分别为输入和输出信号;使用Excel的XY分散特性制图。使用Excel的趋势特征建立了下面的公式，所需曲线拟合电路的数学表达将传感器输出线性化：VO=0.0005V+0.8597VT+0.0123VT2。IC3和四个1%误差的电阻或随意五个电阻实现二阶多项式：VO=a+bVT+cVT2，在这里a为偏置量，b为线性系数，C为二次项系数。

曲线拟合电路的设计从画出IC3的四个输入建立二次项开始，也就是说通过内部1/10V的比例缩放芯片输出。然后，经比较发现系数C必须为0.0123。因为R6和R7的分压器削弱了信号VT，可用下面的公式表示系数：

选择R7的值为——本设计为10 kΩ——然后使用上述公式计算R6。

电阻R8、R9和随意无源加法器R10建立偏置项a和线性系数b。将无源加法器的输出直接连到IC3的管脚6，Z输入，其将偏置和线性项相加到二次项形成管脚7的系统响应。再次比较这些项，注意到偏置项必须等于0.0005V。偏置项仅为0.5mV，消除它会增加约0.05°C的误差，所以可在一开始忽略它。随后，因为线性项的系数必须等于0.8507，首先选择R9合适的值，使用下面的公式计算R8：b=R9/(R8+R9)。

如果希望设计可选电路和包含偏置项，其为无源加法器的一部分，选择稳定的2.5V参考为VREF，计算并联结果R8//R9=REQ(R8与R9并联的等效电阻)，使用下面的分压器公式计算R10：a=(REQ/(R9+REQ))VREF。

为校准电路，用精密十进制电阻箱取代传感器。设置电阻箱模拟0°C，调整IC3管脚7的R2偏置端使输出为0V。其次，设置电阻箱模拟350°C，调整R3的增益端使输出为3.5V。重复这个端调整步骤的顺序直到两个点都确定。如图1电路——包括可选电路——显示了250°C时最差测量误差为2.504V的0.16%，或0.4°C。没有可选电路时测试电路——参考电压和R10——显示精度上没有显著改善。

英文原文：

Design an RTD interface with a spreadsheet

Using a spreadsheet and some simple math, you can design a linearizing interface to a non-linear RTD.

Robert S Villanucci, Wentworth Institute of Technology, Boston; Edited by Charles H Small and Fran Granville -- EDN, 2/7/2008

RTDs (resistance-temperature detectors) are the