精確的溫度至比特轉(zhuǎn)換器解決了溫度傳感器測量難題

盡管溫度是我們生活的基本方面，但是溫度難以準(zhǔn)確測量。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品時代到來之前，伽利略 (Galileo) 發(fā)明了能夠檢測溫度變化的基本溫度計。兩百年后，席貝克 (Seebeck) 發(fā)現(xiàn)了熱電偶，這種器件能夠產(chǎn)生以不同金屬的溫度變化率為函數(shù)的電壓。如今，常常利用熱電偶以及受溫度影響的電阻元件 (RTD 和熱敏電阻器) 和半導(dǎo)體元件 (二極管) 以電子方式測量溫度。盡管從這些組件獲取溫度的方法已為大家熟知，但是以好于 0.5oC 或 0.1oC 的準(zhǔn)確度測量溫度依然富有挑戰(zhàn)性 (參見圖 1)。

圖 1：LTC2983 的溫度準(zhǔn)確度

要數(shù)字化這些基本傳感器元件，就需要專門的模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計和固件開發(fā)技術(shù)。LTC2983 將這些專門技術(shù)整合到單一 IC 中，解決了與熱電偶、RTD、熱敏電阻器以及二極管有關(guān)的每一種獨(dú)特挑戰(zhàn)。該器件整合了每種類型傳感器所必需的模擬電路和溫度測量算法以及線性化數(shù)據(jù)，以直接測量每種傳感器，并以 oC 為單位輸出測量結(jié)果。

熱電偶概述

熱電偶產(chǎn)生的電壓是熱電偶尖頭 (熱電偶溫度) 和電路板上電氣連接點(diǎn) (冷接點(diǎn)溫度) 之間溫差的函數(shù)。為了確定熱電偶溫度，需要準(zhǔn)確測量冷接點(diǎn)溫度，這種方法即大家熟知的冷接點(diǎn)補(bǔ)償。冷接點(diǎn)溫度通常由單獨(dú)放置在冷接點(diǎn)處的溫度傳感器 (非熱電偶) 確定。LTC2983 允許二極管、RTD 和熱敏電阻器作為冷接點(diǎn)傳感器使用。為了將來自熱電偶的電壓輸出轉(zhuǎn)換成溫度，必須求解 (利用表或數(shù)學(xué)函數(shù)) 高階多項式 (高達(dá) 14 階) 以得到被測電壓和冷接點(diǎn)溫度。LTC2983 內(nèi)置了用于所有 8 種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 (J、K、N、T、R、S、T 和 B) 的多項式，以及用于定制熱電偶的用戶設(shè)定表數(shù)據(jù)。LTC2983 同時測量熱電偶輸出和冷接點(diǎn)溫度，并執(zhí)行所有必需的計算，然后以 oC 為單位報告熱電偶溫度。

熱電偶：重要的是什么?

熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓很低 (滿標(biāo)度時 <100mV) (參見圖 2)。由于 ADC 存在偏移和噪聲，所以所測量電壓值必須很低。此外，該電壓是絕對電壓讀數(shù)，需要準(zhǔn)確 / 低漂移基準(zhǔn)電壓。LTC2983 含有一個低噪聲、偏移連續(xù)校準(zhǔn)的 24 位增量累加 ADC (偏移和噪聲 <1μV)，并具備最大值為 10ppm/oC 的基準(zhǔn) (參見圖 3)。

圖 2：熱電偶設(shè)計挑戰(zhàn)

圖 3：采用二極管冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y量

當(dāng)熱電偶尖頭裸露于低于冷接點(diǎn)溫度的溫度時，熱電偶的輸出電壓還能夠低于地。這迫使系統(tǒng)增加第二個負(fù)電源或者輸入電平移位電路，因此使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜了。LTC2983 納入了一個專有前端，能夠用以地為基準(zhǔn)的單一電源對信號進(jìn)行數(shù)字化。

除了提供很高的測量準(zhǔn)確度，熱電偶電路還必須采用噪聲抑制、輸入保護(hù)和抗混疊濾波。LTC2983 的輸入阻抗很高，最大輸入電流低于 1nA。該器件可以采用外部保護(hù)電阻器和濾波電容器，而不會引入額外誤差。LTC2983 包含一個內(nèi)置數(shù)字濾波器和對 50Hz 及 60Hz 的 75dB 抑制。

故障檢測是很多熱電偶測量系統(tǒng)的重要功能。最常見的故障是開路 (熱電偶損壞或未插入)。過去，在熱電偶輸入端加上電流源或上拉電阻器以檢測這類故障。這種方式的問題是，這些感應(yīng)信號導(dǎo)致誤差和噪聲，并與輸入保護(hù)電路相互作用。LTC2983 包括一個獨(dú)特的開路檢測電路，該電路可在測量周期開始前一刻檢查熱電偶是否損壞。在這種情況下，開路激勵電流 / 電阻器不干擾測量準(zhǔn)確度。LTC2983 還報告與冷接點(diǎn)傳感器有關(guān)的故障。該器件還檢測、報告靜電放電 (ESD) 事件，并能夠從這類事件中恢復(fù)，當(dāng)在工業(yè)環(huán)境中使用較長的傳感器連線時，有可能發(fā)生這類事件。LTC2983 還通過其故障報告指示，所測溫度是否高于 / 低于特定熱電偶預(yù)期的溫度范圍。

二極管概述

二極管是可用作溫度傳感器的低價半導(dǎo)體器件。這類器件一般用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。當(dāng)給二極管加上激勵電流時，二極管產(chǎn)生的電壓是溫度以及所加電流的函數(shù)。如果將兩個完美匹配、已知比率的激勵電流源加到二極管上，那么輸出就是可知與溫度成比例 (PTAT) 的電壓。

二極管：重要的是什么?

為了產(chǎn)生具備已知比例的 PTAT 電壓，需要兩個高度匹配、成比例的電流源 (參見圖 4)。LTC2983 依靠增量累加過采樣架構(gòu)準(zhǔn)確地產(chǎn)生這一比率。連接到該 ADC 的二極管和引線含有未知的寄生二極管效應(yīng)。LTC2983 提供 3 電流測量模式，消除了寄生引線電阻。不同二極管制造商規(guī)定了不同的二極管非理想系數(shù)。LTC2983 允許單獨(dú)設(shè)定每個二極管的非理想系數(shù)。因?yàn)闇y量的是絕對電壓，ADC 基準(zhǔn)電壓的值和漂移都是關(guān)鍵。LTC2983 包含在工廠中微調(diào)過最大值為 10ppm/oC 的基準(zhǔn)。

LTC2983 自動產(chǎn)生成比例的電流、測量所產(chǎn)生的二極管電壓、利用所設(shè)定的非理想性數(shù)據(jù)計算溫度并以 oC 為單位輸出結(jié)果。該器件還可以用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。如果二極管損壞、短路或插入不正確，那么如果用 LTC2983 測量冷接點(diǎn)溫度，LTC2983 就會檢測這種故障，并在轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出字以及相應(yīng)的熱電偶測量結(jié)果中報告該故障。

圖 4：二極管設(shè)計挑戰(zhàn)

RTD：概述

RTD 是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。為了測量一個 RTD，將一個準(zhǔn)確已知的低漂移檢測電阻器串聯(lián)連接至該 RTD。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵電流并進(jìn)行比例式測量。RTD 的電阻值以歐姆為單位，可根據(jù)這一比率確定。然后通過查表，用這個電阻值確定傳感器元件的溫度。LTC2983 自動地產(chǎn)生激勵電流，同時測量檢測電阻器和 RTD 電壓，計算傳感器電阻，并以 oC 為單位報告結(jié)果。RTD 可以在很寬的溫度范圍內(nèi)測量溫度，從低至 -200oC 到高達(dá) 850oC。LTC2983 可數(shù)字化大多數(shù)類型的 RTD (PT-10、PT-50、PT-100、PT-200、PT-500、PT-1000 和 NI-120)，針對很多標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置了系數(shù) (美國、歐洲、日本和 ITS-90 標(biāo)準(zhǔn))，并面向定制 RTD 提供用戶設(shè)定的表數(shù)據(jù)。

RTD：重要的是什么?

典型 PT100 RTD (參見圖 5) 的電阻值在溫度每變化 1/10oC 時變化不到 0.04Ω，在 100μA 電流激勵時對應(yīng) 4μV 信號電平。低 ADC 偏移和噪聲對于準(zhǔn)確測量是至關(guān)重要。測量相對于檢測電阻器而言是比例式的，不過在計算溫度時，激勵電流和基準(zhǔn)電壓的絕對值不那么重要。

圖 5：RTD 設(shè)計挑戰(zhàn)

以前，RTD 和檢測電阻器之間的比例式測量是用單個 ADC 執(zhí)行的。檢測電阻器的壓降用作測量 RTD 壓降的 ADC 之基準(zhǔn)輸入。這種架構(gòu)需要 10KΩ 或更大的檢測電阻器，因此需要緩沖，以防止由 ADC 基準(zhǔn)輸入動態(tài)電流導(dǎo)致的壓降。既然檢測電阻器的值至關(guān)重要，那么緩沖器就必須是低偏移、低漂移和低噪聲的。這種架構(gòu)使電流源難以輪換，以消除寄生熱電偶效應(yīng)。增量累加 ADC 的基準(zhǔn)輸入更易于受到噪聲而不是輸入的影響，而且低基準(zhǔn)電壓值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。LTC2983 的多 ADC 架構(gòu)解決了所有這些問題 (參見圖 6)。LTC2983 運(yùn)用了兩個高度匹配、有緩沖和自動校準(zhǔn)的 ADC，一個用于 RTD，另一個用于檢測電阻器。這些 ADC 同時測量 RTD 和 RSENSE，計算 RTD 電阻，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)查一個基于 ROM 的表，最終以 oC 為單位輸出 RTD 溫度。

圖 6：用 LTC2983 測量 RTD 溫度

RTD 有很多種配置：2 線、3 線和 4 線。LTC2983 以可配置的單一硬件解決方案提供所有 3 種配置。該器件可在多個 RTD 之間共享單一檢測電阻器。其高阻抗輸入允許在 RTD 和 ADC 輸入之間接入外部保護(hù)電路，而不會引入誤差。該器件還可以自動輪換電流激勵，以消除外部熱誤差 (寄生熱電偶)。在檢測電阻器的寄生引線電阻降低性能的情況下，LTC2983 允許用 Rsense 進(jìn)行開爾文檢測。

LTC2983 包括故障檢測電路。該器件可以確定，檢測電阻器或 RTD 是否損壞或短路。如果所測溫度高于或低于 RTD 規(guī)定的最高或最低溫度，LTC2983 就發(fā)出警告。當(dāng) RTD 用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器時，3 個 ADC 同時測量熱電偶、檢測電阻器和 RTD。RTD 故障信息傳遞到熱電偶測量結(jié)果中，同時 RTD 溫度自動地用來補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

熱敏電阻器概述

熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。與 RTD 不同，熱敏電阻器的電阻值在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個量級。為了測量熱敏電阻器，要給傳感器串聯(lián)連接一個檢測電阻器。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵電流，并進(jìn)行比例式測量。熱敏電阻器的電阻值以歐姆為單位，可以根據(jù)這個比率確定。這個電阻值用來確定傳感器的溫度，進(jìn)而求解 Steinhart-Hart 方程或查詢表數(shù)據(jù)。LTC2983 自動地產(chǎn)生激勵電流，同時測量檢測電阻器和熱敏電阻器電壓，計算熱敏電阻器的電阻，并以 oC 為單位報告結(jié)果。熱敏電阻器一般在 -40oC 至 150oC 溫度范圍內(nèi)工作。LTC2983 包含計算 2.252kΩ、3kΩ、5kΩ、10kΩ 和 30kΩ 標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器溫度所需的系數(shù)。因?yàn)橛卸喾N類型和電阻值的熱敏電阻器，所以LTC2983 可用定制熱敏電阻器表數(shù)據(jù) (R 和 T) 或Steinhart-Hart 系數(shù)來設(shè)定。

熱敏電阻器：重要的是什么?

熱敏電阻器的電阻值 (參見圖 7) 在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個量級。例如，一個在室溫時 10kΩ 的熱敏電阻器在最高溫度時可能低至 100Ω，而在最低溫度時可能 >300kΩ，而其他熱敏電阻器標(biāo)準(zhǔn)可能達(dá)至 1MΩ 以上。

圖 7：熱敏電阻器設(shè)計挑戰(zhàn)

典型情況下，為了適應(yīng)大阻值電阻，會使用電流非常小的激勵電流源和阻值較大的檢測電阻器。這導(dǎo)致在熱敏電阻器阻值范圍的低端，信號電平非常低。需要輸入緩沖器和基準(zhǔn)緩沖器隔離 ADC 的動態(tài)輸入電流和這些較大的電阻器。但是如果沒有單獨(dú)的電源，緩沖器在靠近地時工作不是很好，而且需要最大限度減小偏移 / 噪聲誤差。LTC2983 解決了所有這些問題 (參見圖 8)。該器件整合了一個連續(xù)校準(zhǔn)的專有緩沖器和多 ADC 架構(gòu)，該緩沖器能夠在地電平甚至在低于地電平時對信號進(jìn)行數(shù)字化。兩個匹配的緩沖 ADC 同時測量熱敏電阻器和檢測電阻器，計算 (基于標(biāo)準(zhǔn)) 熱敏電阻器的溫度，并以 oC 為單位報告結(jié)果。不需要大阻值檢測電阻器，從而允許多個 RTD 和不同類型的熱敏電阻器共用單一檢測電阻器。LTC2983 還可以視熱敏電阻器輸出電阻的不同，而自動設(shè)定不同的激勵電流范圍。

圖 8：用 LTC2983 測量熱敏電阻器溫度

LTC2983 包括故障檢測電路。該器件可確定，檢測電阻器或熱敏電阻器是否損壞 / 短路。如果所測溫度高于或低于熱敏電阻器規(guī)定的最大值或最小值，LTC2983 就發(fā)出警報。熱敏電阻器可用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。在這種情況下，3 個 ADC 同時測量熱電偶、檢測電阻器和熱敏電阻器。熱敏電阻器故障信息被傳遞到熱電偶測量結(jié)果中，熱敏電阻器溫度自動用于補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

通用測量系統(tǒng)

LTC2983 可配置為通用溫度測量電路 (參見圖 9)?？山o單個 LTC2983 加上多達(dá) 4 組通用輸入。每一組輸入都可以直接用來數(shù)字化 3 線 RTD、4 線 RTD、熱敏電阻器或熱電偶，而無需更改任何內(nèi)置硬件。每個傳感器都可以使用同樣的 4 個 ADC 輸入及保護(hù) / 濾波電路，并可用軟件配置。所有 4 組傳感器都可以共用一個檢測電阻器，同時用一個二極管測量冷接點(diǎn)補(bǔ)償。LTC2983 的輸入結(jié)構(gòu)允許任何傳感器連接到任何通道上。在 LTC2983 的任一和所有 21 個模擬輸入上，可以加上 RTD、檢測電阻器、熱敏電阻器、熱電偶、二極管和冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)娜我饨M合。

圖 9：通用溫度測量系統(tǒng)

結(jié)論

LTC2983 是開創(chuàng)性的高性能溫度測量系統(tǒng)。該器件能夠以實(shí)驗(yàn)室級精確度直接數(shù)字化熱電偶、RTD、熱敏電阻器和二極管。LTC2983 整合了 3 個 24 位增量累加 ADC 和一個專有前端，以解決與溫度測量有關(guān)的很多典型問題。高輸入阻抗以及在零點(diǎn)輸入范圍允許直接數(shù)字化所有溫度傳感器，并易于進(jìn)行輸入預(yù)測。20 個靈活的模擬輸入使得能夠通過一個簡單的 SPI 接口重新設(shè)定該器件，因此可用同一種硬件設(shè)計測量任何傳感器。LTC2983 自動執(zhí)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償，可用任何傳感器測量冷接點(diǎn)，而且提供故障報告。該器件可以直接測量 2、3 或 4 線 RTD，并可非常容易地共用檢測電阻器以節(jié)省成本，同時非常容易地輪換電流源，以消除寄生熱效應(yīng)。LTC2983 可自動設(shè)定電流源范圍，以提高準(zhǔn)確度、降低與熱敏電阻器測量有關(guān)的噪聲。LTC2983 允許使用用戶可編程的定制傳感器?；诒淼亩ㄖ?RTD、熱電偶和熱敏電阻器可以設(shè)定到該器件中。LTC2983 在一個完整的單芯片溫度測量系統(tǒng)中，整合了高準(zhǔn)確度、易用的傳感器接口，并提供很高的靈活性。