傳感器信號通道設計

RTD

電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來制造RTD。

RTD具有較寬的測溫范圍，最高達+750°C，具有較高精度和較好的可重復性，線性度適中。對于Pt-RTD，最常見的電阻值為：0°C時，標稱值為100Ω或1kΩ，當然也有其它電阻值。

RTD的信號調理可以非常簡單：將RTD與一個精密的固定阻值電阻相連，構成分壓器;也可以采用更復雜的信號調理，尤其是在寬溫測量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準和高分辨率ADC，如圖3所示。利用查找表或通過計算、外部線性化處理電路對傳感器進行線性化調整。

圖3 RTD信號調理電路簡化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點所產生的電壓與溫度近似成比例關系。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測溫范圍，高達+1800°C;成本很低，具體成本與封裝有關;具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40?V/°C;線性度適中，并可提供適當的復雜信號調理，即冷端補償和放大。

由于熱電偶輸出信號較低，利用熱電偶測量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號調理電路的銅線(或引線)時，在觸點位置又會產生額外的熱電偶，進一步加劇了測量的復雜性。該觸點稱為冷端(圖4所示)。為了利用熱電偶準確測量溫度，必須在冷端位置增加第二個溫度傳感器，如圖5所示。然后將冷端測量溫度與熱電偶測量值相疊加。圖5所示電路是一種實施方案，其中包括多款精密元件。

圖4 熱電偶電路簡化圖

金屬1和金屬2之間的結為主熱電偶結。金屬1和金屬2與測量裝置銅線或印制板(PCB)引線的接觸位置形成了額外的熱電偶。

除圖5所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號調理的器件MAX6*。這些器件簡化了設計任務，并顯著降低對熱電偶輸出放大、冷端補償及數字化處理的元件數量。

圖5 熱電偶信號調理電路示例

溫度傳感器IC

溫度傳感器IC充分利用了硅PN結所具備的線性度和預知的溫度特性等優(yōu)勢。由于這些IC都是采用常規(guī)半導體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數字接口、ADC輸入、風扇控制等，這是其它技術無法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達+125°C，部分產品的溫度上限可以達到+150°C左右。以下介紹了常見的溫度傳感器IC。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉換成電壓，有些情況下則轉換成電流。最簡單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個有效端：地、電源輸入和信號輸出。其它具有增強功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器 或電壓基準輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產生與溫度成比例的輸出電壓。對這一電壓信號進行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當的變化關系，獲得較高的溫度測量精度。例如，DS600業(yè)內精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內保證誤差小于±0.5°C。

本地數字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數字信號的溫度傳感器。這種器件通常稱為數字溫度傳感器或本地數字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測量的是自身溫度。這種工作方式相對于遠端傳感器，后者用于測量外部IC或分立晶體管的溫度。

基本的數字溫度傳感器只是簡單地測量溫度，溫度數據通過各種特定接口讀取，接口類型包括：1-Wire?、I?C、PWM 和3線。復雜的數字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報警輸出、設置觸發(fā)門限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地數字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內保證±0.5°C的精度。

遠端數字溫度傳感器

遠端數字溫度傳感器又稱為遠端傳感器或二極管溫度傳感器。遠端傳感器用于測量外部晶體管的溫度，可以采用分立晶體管，也可以采用集成在另一IC內部的晶體管，如圖4所示。微處理器、現場可編程門陣列(FPGA)及ASIC往往包含一個或多個溫度傳感器，通常稱為溫度二極管，與圖6所示類似。

圖6 利用遠端溫度傳感器MAX 6642監(jiān)測外部IC管芯的晶體管(或溫度二極管)溫度

遠端溫度傳感器具有一個重要優(yōu)勢：可以利用單片IC監(jiān)測多點溫度。一個基本的單芯片遠端傳感器，例如，圖4中的MAX 6642，可以監(jiān)測兩個溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以是目標IC的管芯，如圖4所示，也可以是被監(jiān)測電路板的某個溫度監(jiān)測點(采用分立式晶體管)。有些遠端傳感器可以監(jiān)測最多7個位置的外部溫度。這樣的話，包括IC和電路板的溫度監(jiān)測點在內，單芯片能夠監(jiān)測多達8個位置。以MAX6602 為例，該溫度傳感器具有4路遠端二極管輸入，能夠監(jiān)測1對集成溫度二極管的FPGA、2個電路板的溫度監(jiān)測點(采用分立晶體管)以及MAX6602所在位置的電路板溫度。MAX6602和MAX 6642 在測量外部溫度二極管時都能達到±1°C的精度。