基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)—第1部分：設(shè)計挑戰(zhàn)和電路配置

本系列文章分為兩部分，這是第1部分。本部分首先討論基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計挑戰(zhàn)，以及它與基于電阻溫度檢測器(RTD)的溫度測量系統(tǒng)的比較。此外，本文還會簡要介紹熱敏電阻選擇、配置權(quán)衡，以及Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在該應(yīng)用領(lǐng)域中的重要作用。第2部分將詳細介紹如何優(yōu)化和評估基于熱敏電阻的最終測量系統(tǒng)。

熱敏電阻與RTD

正如文章 "如何選擇并設(shè)計理想RTD溫度檢測系統(tǒng)" 中所討論的，RTD是一種電阻值隨溫度變化的電阻器。熱敏電阻的工作方式與RTD類似。RTD僅有正溫度系數(shù)，熱敏電阻則不同，既可以有正溫度系數(shù)，也可以有負溫度系數(shù)。負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的阻值會隨著溫度升高而減小，而正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的阻值會隨著溫度升高而增大。圖1顯示了典型NTC和PTC熱敏電阻的響應(yīng)特性，以及它們與RTD曲線的比較。

圖 1. 熱敏電阻與 RTD 的響應(yīng)特性比較

在溫度范圍方面，RTD曲線接近線性，而熱敏電阻具有非線性（指數(shù)）特性，因此前者覆蓋的溫度范圍（通常為–200°C至+850°C）比后者要寬得多。RTD通常提供眾所周知的標準化曲線，而熱敏電阻曲線則因制造商而異。我們將在本文的"熱敏電阻選擇指南"部分詳細討論這一點。

熱敏電阻由復(fù)合材料——通常是陶瓷、聚合物或半導體（通常是金屬氧化物）——制成，與由純金屬（鉑、鎳或銅）制成的RTD相比，前者要小得多且更便宜，但不如后者堅固。熱敏電阻能夠比RTD更快地檢測溫度變化，從而提供更快的反饋。因此，熱敏電阻傳感器常用于要求低成本、小尺寸、更快響應(yīng)速度、更高靈敏度且溫度范圍受限的應(yīng)用，例如監(jiān)控電子設(shè)備、家庭和樓宇控制、科學實驗室，或商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中的熱電偶所使用的冷端補償。

在大多數(shù)情況下，精密溫度測量應(yīng)用使用NTC熱敏電阻，而非PTC熱敏電阻。有一些PTC熱敏電阻被用于過流輸入保護電路，或用作安全應(yīng)用的可復(fù)位保險絲。PTC熱敏電阻的電阻-溫度曲線在達到其切換點（或居里點）之前有一個非常小的NTC區(qū)域；超過切換點之后，在幾攝氏度的范圍內(nèi)，其電阻會急劇增加幾個數(shù)量級。因此，在過流情況下，PTC熱敏電阻在超過切換溫度后會產(chǎn)生大量自發(fā)熱，其電阻會急劇增加，導致輸入系統(tǒng)的電流減少，從而防止系統(tǒng)發(fā)生損壞。PTC熱敏電阻的切換點通常在60°C和120°C之間，因此它不適合用在寬溫度范圍應(yīng)用中監(jiān)控溫度測量結(jié)果。本文重點介紹能夠測量或監(jiān)控–80°C至+150°C溫度范圍的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻在25°C時的標稱電阻從幾歐姆到10 MΩ不等。如圖1所示，與RTD相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更為顯著。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使得其前端電路比RTD要簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置（例如3線或4線）來補償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計僅使用簡單的2線配置。

表1顯示了RTD、NTC和PTC熱敏電阻的優(yōu)缺點。

表1. 熱敏電阻與RTD

基于熱敏電阻的溫度測量挑戰(zhàn)

高精度的熱敏電阻溫度測量需要精密信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和補償，如圖2所示。盡管信號鏈看起來簡單明了，但其中涉及的幾個復(fù)雜因素也會影響整個系統(tǒng)的電路板尺寸、成本和性能。ADI精密ADC產(chǎn)品組合中有幾種集成解決方案，例如 AD7124-4/AD7124-8，它們能為溫度系統(tǒng)設(shè)計帶來多方面好處，應(yīng)用所需的大部分構(gòu)建模塊都已內(nèi)置。但是，設(shè)計和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測量解決方案涉及到多種挑戰(zhàn)。

圖 2. 典型 NTC 熱敏電阻測量信號鏈模塊

挑戰(zhàn)包括：

●   市場上有各種各樣的熱敏電阻。

   ○ 如何為具體應(yīng)用選擇合適的熱敏電阻？

●   與RTD一樣，熱敏電阻是無源器件，自身不會產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵電流或電壓來測量傳感器的電阻，即讓一個小電流經(jīng)過傳感器以產(chǎn)生電壓。

   ○ 如何選擇電流/電壓？

   ○ 熱敏電阻信號應(yīng)如何調(diào)理？

   ○ 如何調(diào)整上述變量，以便在規(guī)格范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建模塊？

   ○ 在一個系統(tǒng)中連接多個熱敏電阻：傳感器如何連接？不同傳感器之間是否能共享一些模塊？對系統(tǒng)整體性能有何影響？

●   熱敏電阻的一個主要問題是其非線性響應(yīng)和系統(tǒng)精度。

   ○ 設(shè)計的預(yù)期誤差是多少？

   ○ 使用哪些線性化和補償技術(shù)來實現(xiàn)目標性能？

本文將討論所有這些挑戰(zhàn)，并就如何解決這些問題和進一步簡化此類系統(tǒng)的設(shè)計過程提供建議。

熱敏電阻選擇指南

當今市場上有很多NTC熱敏電阻可供選擇，為具體應(yīng)用選擇特定的熱敏電阻可能相當具有挑戰(zhàn)性。請注意，熱敏電阻按其標稱值列出，即25°C時的標稱電阻。因此，10 kΩ熱敏電阻在25°C時的標稱電阻為10 kΩ。熱敏電阻的標稱或基本電阻值從幾歐姆到10 MΩ不等。標稱電阻較低（10 kΩ或更低）的熱敏電阻，支持的溫度范圍通常也較低，例如–50°C至+70°C。標稱電阻較高的熱敏電阻，可支持最高300°C的溫度。

熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有珠狀、徑向和SMD等形式。珠狀熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂涂層或玻璃封裝，以提供額外保護。環(huán)氧樹脂涂層珠狀熱敏電阻、徑向和SMD熱敏電阻適用于最高150°C的溫度。玻璃涂層珠狀熱敏電阻適用于高溫測量。所有類型熱敏電阻的涂層/封裝還能防止腐蝕。一些熱敏電阻還具有額外的外殼，以在惡劣環(huán)境中提供進一步的保護。與徑向/SMD熱敏電阻相比，珠狀熱敏電阻具有更快的響應(yīng)時間。然而，后者不如前者那么穩(wěn)健。因此，使用何種熱敏電阻取決于最終應(yīng)用和熱敏電阻所處的環(huán)境。熱敏電阻的長期穩(wěn)定性取決于制造材料及其封裝和結(jié)構(gòu)。例如，環(huán)氧樹脂涂層的NTC熱敏電阻每年可能變化0.2°C，而密封的熱敏電阻每年僅變化0.02°C。

不同熱敏電阻有不同的精度。標準熱敏電阻的精度通常為0.5°C至1.5°C。熱敏電阻的標稱電阻值和β值（25°C至50°C/85°C關(guān)系）有一個容差。請注意，熱敏電阻的β值取決于制造商。例如，不同制造商生產(chǎn)的10 kΩ NTC熱敏電阻會有不同的β值。對于較高精度的系統(tǒng)，可以使用Omega? 44xxx系列等熱敏電阻。在0°C至70°C的溫度范圍內(nèi)，其精度為0.1°C或0.2°C。因此，所測量的溫度范圍以及該溫度范圍內(nèi)所需的精度決定了一個熱敏電阻是否適合特定應(yīng)用。請注意，Omega 44xxx系列的精度越高，其成本也越高。

因此，使用何種熱敏電阻取決于：

●   被測溫度范圍

●   精度要求

●   使用熱敏電阻的環(huán)境

●   長期穩(wěn)定性

線性化：β與Steinhart-Hart方程

為了將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度，通常使用β值。知道兩個溫度點以及每個溫度點對應(yīng)的電阻，便可確定β值。

其中：

RT1 = 溫度1時的電阻

RT2 = 溫度2時的電阻

T1 = 溫度1 (K)

T2 = 溫度2 (K)

熱敏電阻的數(shù)據(jù)手冊通常會列出兩種情況的β值：

●   兩個溫度分別為25°C和50°C

●   兩個溫度分別為25°C和85°C

用戶使用接近設(shè)計所用溫度范圍的β值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊在列出β值的同時，還會列出25°C時的電阻容差和β值的容差。

較高精度的熱敏電阻（如Omega 44xxx系列）和較高精度的最終解決方案使用Steinhart-Hart方程將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度。公式2需要三個常數(shù)A、B和C，這些常數(shù)同樣由傳感器制造商提供。公式的系數(shù)是利用三個溫度點生成的，因此所得公式盡可能減少了線性化引入的誤差（線性化引起的誤差通常為0.02°C）。

其中：

A、B、C是從三個溫度測試點得出的常數(shù)。

R = 熱敏電阻的阻值，單位為Ω

T = 溫度，單位為K

電流?電壓激勵

圖3顯示了傳感器的電流激勵。將激勵電流作用于熱敏電阻，并將相同電流作用于精密電阻；精密電阻用作測量的參考。參考電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值（取決于系統(tǒng)中測量的最低溫度）。選擇激勵電流的大小時，同樣要考慮熱敏電阻的最大電阻值，以確保傳感器和參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓始終處于電子設(shè)備可接受的水平。激勵電流源需要一定的裕量或輸出順從性。如果熱敏電阻在所測量的最低溫度時具有較大電阻，則激勵電流值將非常低。因此，高溫下熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。然而，增益需要動態(tài)編程，因為來自熱敏電阻的信號電平會隨溫度發(fā)生顯著變化。

圖 3. 熱敏電阻的電流激勵

另一個方案是設(shè)置增益但使用動態(tài)激勵電流。當來自熱敏電阻的信號電平發(fā)生變化時，激勵電流值也會動態(tài)變化，使得熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓處于電子設(shè)備的額定輸入范圍內(nèi)。用戶必須確保參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓也處于電子設(shè)備可接受的水平。這兩種方案都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測熱敏電阻兩端的電壓，以確保信號能被電子設(shè)備測量。有沒有更簡單的方案？我們來看看電壓激勵。

圖 4. 熱敏電阻的電壓激勵

當熱敏電阻由恒定電壓激勵時，通過熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻阻值的變化而自動縮放。現(xiàn)在使用精密檢測電阻，而不使用參考電阻，其目的是計算流過熱敏電阻的電流，這樣就能計算出熱敏電阻的阻值。由于激勵電壓也用作ADC基準電壓，因此無需增益級。處理器無需監(jiān)控熱敏電阻兩端的電壓，無需確定該信號電平能否被電子設(shè)備測量，也無需計算要將增益/激勵電流調(diào)整到什么值。這是本文中使用的方法。

熱敏電阻阻值范圍?激勵

如果熱敏電阻的標稱電阻和阻值范圍較小，那么電壓或電流激勵均可使用。在這種情況下，激勵電流和增益可以是固定值。電路將如圖3所示。這種方法很有用，因為流過傳感器和參考電阻的電流是可控的，這在低功耗應(yīng)用中很有價值。此外，熱敏電阻的自發(fā)熱也極小。

對標稱電阻較低的熱敏電阻也可以使用電壓激勵。但是，用戶必須確保通過傳感器的電流對于傳感器本身或應(yīng)用而言任何時候都不能太大。

當使用標稱電阻和溫度范圍均較大的熱敏電阻時，電壓激勵會使系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。較大標稱電阻確保標稱電流處于合理水平。但是，設(shè)計人員需要確保電流在應(yīng)用支持的整個溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

Σ-Δ ADC在基于熱敏電阻的應(yīng)用中的重要作用

當設(shè)計熱敏電阻測量系統(tǒng)時，Σ-Δ ADC能提供多方面優(yōu)勢。首先，Σ-Δ型ADC能夠?qū)δM輸入過采樣，從而盡可能地減少外部濾波，只需要簡單的RC濾波器。另外，它們支持靈活地選擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率。在采用市電供電的設(shè)計中，內(nèi)置數(shù)字濾波可用來抑制交流電源的干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率21.7位（最大值），因此它們能提供高分辨率。

其他優(yōu)點包括：

●   寬共模范圍的模擬輸入

●   寬共模范圍的基準輸入

●   能夠支持比率式配置

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

●   PGA

●   內(nèi)部基準電壓源

●   基準電壓源/模擬輸入緩沖器

●   校準功能

使用Σ-Δ ADC可大幅簡化熱敏電阻設(shè)計，減少BOM，降低系統(tǒng)成本，縮小電路板空間，并縮短產(chǎn)品上市時間。

本文將AD7124-4/AD7124-8用作ADC，它們是集成PGA、嵌入式基準電壓源、模擬輸入和基準電壓緩沖器的低噪聲、低電流精密ADC。

熱敏電阻電路配置——比率式配置

無論使用激勵電流還是激勵電壓，都建議使用比率式配置，其中基準電壓和傳感器電壓是從同一激勵源獲得。這意味著激勵源的任何變化都不會影響測量的精度。

圖5顯示，恒定激勵電流為熱敏電阻和精密電阻RREF供電，RREF上產(chǎn)生的電壓就是熱敏電阻測量的基準電壓。激勵電流不需要非常準確，穩(wěn)定性不需要太高，因為在此配置中，激勵電流的任何誤差都會被抵消。激勵電流通常比電壓激勵更受歡迎，原因是它能出色地控制靈敏度，而且當傳感器位于遠程地點時，它具有更好的抗擾度。這種類型的偏置技術(shù)常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。但是，對于電阻值較大且靈敏度較高的熱敏電阻，溫度變化所產(chǎn)生的信號電平會較大，因此應(yīng)使用電壓激勵。例如，一個10 kΩ熱敏電阻在25°C時的阻值為10 kΩ，而在?50°C時，NTC熱敏電阻的阻值為441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的50 μA最小激勵電流可產(chǎn)生的電壓為441.117 kΩ × 50 μA = 22 V，此電壓過高，超出了該應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大多數(shù)ADC的工作范圍。熱敏電阻通常還連接到電子設(shè)備或位于電子設(shè)備附近，因此不需要激勵電流的抗噪優(yōu)勢。

圖 5. 恒流源配置

圖6顯示了用于在NTC熱敏電阻兩端產(chǎn)生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加一個串聯(lián)檢測電阻，會限制熱敏電阻在最小電阻值時流經(jīng)其中的電流。在此配置中，在25°C的基本溫度時，檢測電阻RSENSE的值必須等于熱敏電阻的電阻值，以便將它處于25°C標稱溫度時的輸出電壓設(shè)置為基準電壓的中間值。同樣，如果使用25°C時阻值為10 kΩ的10 kΩ熱敏電阻，則RSENSE必須等于10 kΩ。當溫度改變時，NTC熱敏電阻的阻值也會改變，熱敏電阻兩端的激勵電壓的一小部分也發(fā)生改變，從而產(chǎn)生與成NTC熱敏電阻阻值比例的輸出電壓。

圖 6. 分壓電路配置

如果選擇用來為熱敏電阻和/或RSENSE供電的基準電壓與用于測量的ADC基準電壓相同，則系統(tǒng)就是比率式測量配置（圖7），任何與激勵電壓源相關(guān)的誤差都會被消除。

圖 7. 熱敏電阻比率式配置測量

請注意，檢測電阻（電壓激勵）或參考電阻（電流激勵）的初始容差和漂移必須很低，因為這兩個變量均會影響系統(tǒng)總體精度。

當使用多個熱敏電阻時，可以使用單個激勵電壓。但是，每個熱敏電阻必須有自己的精密檢測電阻，如圖8所示。另一個方案是使用低導通電阻的外部多路復(fù)用器或開關(guān)，從而支持共享單個精密檢測電阻。采用這種配置時，每個熱敏電阻在測量時都需要一定的建立時間。

圖 8. 多個熱敏電阻的模擬輸入配置測量

總之，設(shè)計基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時需要關(guān)注多個方面：傳感器選擇，傳感器連接，元器件選擇的權(quán)衡，ADC配置，以及這些不同變量如何影響系統(tǒng)整體精度。本系列的下一篇文章將解釋如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和整體系統(tǒng)誤差預(yù)算以實現(xiàn)目標性能。

來源：ADI

作者：Jellenie Rodriguez 和 Mary McCarthy