熱敏電阻結(jié)合高分辨∑△A/D變換器測(cè)量溫度

溫度是工業(yè)、消費(fèi)類(lèi)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中最普遍測(cè)量的變量之一，而熱敏電阻是監(jiān)控這種物理?xiàng)l件主要手段之一。但必須在數(shù)字或模擬范圍線性化熱敏電阻輸出以獲得精確測(cè)量。也必須為熱敏電阻本身自熱效應(yīng)選擇激勵(lì)源和補(bǔ)償。過(guò)熱所引起的誤差導(dǎo)致器件電阻變化，使誤差進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)。

在測(cè)量溫度的大多數(shù)應(yīng)用中，必須把測(cè)量值從模擬變?yōu)閿?shù)字形式。采用高精度∑△變換器可大大減少變換所需的大量信號(hào)調(diào)理元件，這是一種高精度、低成本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

測(cè)溫用熱敏電阻

熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制作的電路元件，它們有高負(fù)溫度系數(shù)（NTC）或高正溫度系數(shù)（PTC）特性。一個(gè)NTC熱敏電阻相當(dāng)于一個(gè)電阻器，溫度系數(shù)范圍為-3%～-5%/℃。熱敏電阻器，絕對(duì)值輸出在其工作溫度范圍的變化為萬(wàn)分之一。高靈敏度使熱敏電阻電路能檢測(cè)溫度的瞬間變化，而熱耦或RTD不可能做到。NTC熱敏電阻最適合 精密溫度測(cè)量，PTC熱敏電阻更適合開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

在很多應(yīng)用中，熱敏電阻顯示出高穩(wěn)定性、精密、小尺寸、靈活性和價(jià)廉的特點(diǎn)。它們也具有快速響應(yīng)時(shí)間，屬于最靈敏溫度傳感器之列。工程師、科學(xué)家和技術(shù)為員把熱敏電阻用于通信、儀器、汽車(chē)、醫(yī)學(xué)、航空、航天以及消費(fèi)類(lèi)等應(yīng)用。

熱敏電阻溫度曲線可用Steinhart-Hart方程近似表示：

1/T=A+B(lnR)+C(lnR)3

式中T：溫度（k）

R：熱敏電阻阻值（Ω）

A、B、C：曲線擬合常數(shù)

選擇數(shù)據(jù)曲線的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)解3個(gè)聯(lián)立方程就可求出A、B、C。所選數(shù)據(jù)點(diǎn)間距不超過(guò)熱敏電阻溫度范圍標(biāo)定中點(diǎn)100℃時(shí)，方程近似±0.02℃曲線擬合。

高分辨率數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采含有應(yīng)用中，需要高分辨率A/D變換器把測(cè)量電路所含熱敏電阻產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。Analog Devices公司的AD7711（見(jiàn)圖1）是一款信號(hào)調(diào)理A/D變換器，特別適合采用熱敏電阻測(cè)溫應(yīng)用。

這種集成解決方案提供片上電源和電壓基準(zhǔn)，可用一個(gè)恒流源或一個(gè)比值電壓激勵(lì)熱敏電阻。AD7711也包含可編程增益放大器，提供1～128增益，使前端信號(hào)范圍達(dá)20mV～2.5V（單極）和±20mV～±2.5V（雙極）。AD7711在∑△調(diào)制器中采用多樣方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化所需要的增益，避免了與分立信號(hào)調(diào)理電路有關(guān)的噪聲和失調(diào)問(wèn)題。

模擬輸入是差分輸入，共模抑制大于90dB（達(dá)幾kHz）。這種輸入可排除來(lái)自測(cè)量大的DC電壓?；鶞?zhǔn)輸入也是差分形式，使在前端比值工作。

片上∑△處理提供高笥能濾波。片上濾波主要好處是：可從輸入信號(hào)排除主頻分量和傳感器激勵(lì)頻率，在應(yīng)用中必須去掉這些頻率。

除衰減之外，此濾波器提供120dB衰減陷波濾波。陷波濾波可設(shè)置在50Hz或60Hz，以消除來(lái)自系統(tǒng)的線頻率分量。片上數(shù)字濾波不僅僅提供帶外信號(hào)衰減而且也降低了防假頻要求（由于在∑△處理中采用高過(guò)取樣率的結(jié)果）。

可以消除A/D變換器所引起的失調(diào)和增益誤差，采用的方法是在輸入加已知電壓和所希望的代碼輸出比較，并根據(jù)A/D變換差分計(jì)算失調(diào)和增益校正因數(shù)。片上校正不僅僅消除了由A/D變換器所引起的失調(diào)和增益誤差，而且也消除了發(fā)生在前級(jí)電路中的誤差。AD7711所采用的表面貼裝封裝（SOIC）特適合板面積受限制的集成設(shè)計(jì)。

在便攜儀器或手持保健產(chǎn)品中，電源是額外費(fèi)用。AD7705 A/D變換器列適合這些應(yīng)用。它的功耗只有1mW，而且有與AD7711相同的信號(hào)處理前端、∑△調(diào)制器和數(shù)字濾波器（它沒(méi)有片上電流源或基）。

電流激勵(lì)的傳敏電阻應(yīng)用電路

圖2所示電路是用AD7711數(shù)字化熱敏電阻所產(chǎn)生的輸出電壓，采用片上200μA電流源。

此電路中所用熱敏電阻是Betatherm Ireland Ltd.的0.3k1A1，在25℃標(biāo)定電阻300Ω。此電路中激勵(lì)熱敏電阻的同一電流源也產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。因此，激勵(lì)電流變化不影響性能。在應(yīng)用中最普遍的連線配置是4線沖頭/感測(cè)配置，這種連線配置也可降低引線電阻對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

驅(qū)動(dòng)線的引線電阻只改變共模電壓而不降低電路性能。感測(cè)線的引線電阻是不重要的，這是因?yàn)锳D7711模擬高輸入阻抗連線上沒(méi)有電流。

很多應(yīng)用只用兩根線連到熱敏電阻，這是因?yàn)榫€過(guò)溫電阻明顯低于熱敏電阻元件值。但基準(zhǔn)設(shè)計(jì)電阻器必須具有低溫度系數(shù)以防止基準(zhǔn)電壓過(guò)溫誤差。電路工作溫度范圍是-30℃～100℃。低端限制是電流源輸出依從性與有關(guān)電路中電壓范圍所確定的熱敏電阻阻抗隨溫度降低而增加有關(guān)。

AD7711所接收的熱敏電阻輸出電壓范圍從100℃的7mV到-35℃的0.75V。變換器可編程增益放大器使系統(tǒng)SNR達(dá)到最大值。用2V基準(zhǔn)和1～128增益范圍，AD7711可接受0mV和15mV及0V和2V之間的單極信號(hào)。例如，若工作范圍是25℃～100℃，則熱敏電阻所產(chǎn)生的最大輸出電壓是60mV。允許變換器用增益32便可達(dá)到整個(gè)范圍。在增益32，用10Hz編程更新率，此變換器提供17位有效峰-峰分辨率。

圖3電路是∑△變換器設(shè)計(jì)的完全比值測(cè)量系統(tǒng)，未用片上電流源或電壓基準(zhǔn)。在該應(yīng)用中，恒流源是由電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放產(chǎn)生。用于激勵(lì)熱敏電阻的同一恒流源也為A/D變換器產(chǎn)生基準(zhǔn)。因?yàn)楸戎倒ぷ?，所以消除測(cè)量系統(tǒng)中的漂移誤差。這種變換器沒(méi)有片上電壓基準(zhǔn)或電流源，所以必須外部產(chǎn)生熱敏電阻激勵(lì)和AD7705基準(zhǔn)。此應(yīng)用中的熱敏電阻是用運(yùn)放和外基準(zhǔn)所產(chǎn)生的恒流源激勵(lì)。恒流源為AD7705產(chǎn)生基準(zhǔn)。這種實(shí)現(xiàn)方法是完全比值，而激勵(lì)電流變化不降低系統(tǒng)性能。當(dāng)增益為1時(shí)，AD7705在緩沖模式基溫度范圍-55℃～70℃，50Hz輸出率可提供16位峰-峰分辨率。

電壓激勵(lì)熱敏電阻應(yīng)用電路

圖4所示的電路中，激勵(lì)熱敏電阻的電壓源來(lái)自AD7711。熱敏電阻是10k3A（Betatherm公司），在25℃標(biāo)定阻抗是10kΩ。電路中兩個(gè)電阻器（RS和R1）與熱敏電阻串聯(lián)，也可用RS=0Ω實(shí)現(xiàn)。電阻器RS限制熱敏電阻功耗，電阻器R1線性化熱敏電阻輸出。當(dāng)RS=0Ω時(shí)，跨接在R1上輸出電壓變化范圍從-50℃的33mV到100℃的2.329V。當(dāng)工作在增益為1單極工作模式時(shí)，AD7711適用0V到2.5V輸入信號(hào)范圍。假若應(yīng)用需要A/D變換器滿動(dòng)態(tài)范圍，則可以用變換器上的系統(tǒng)校正特性消除低端的33mV。因此，當(dāng)變換器在輸入為33mV時(shí)，變換器數(shù)字輸出將為0。同樣在高端可以用系統(tǒng)全量程校正，2.329V輸入電壓輸出全為1。

在此電路中，用AD7711可編程增益放大器放大R1所產(chǎn)生的信號(hào)，使系統(tǒng)SNR最大。

熱敏電阻輸出線性化

熱敏電阻輸出線性化在一般應(yīng)用中可用兩種方法，在數(shù)字化范圍可用器件特性查找表。為產(chǎn)生此表，用Steinhart-Hatt方程實(shí)現(xiàn)3階線性化公式，提供±0.02℃精度。在模擬范圍，用另外的串聯(lián)或并聯(lián)電阻器實(shí)現(xiàn)線性化，使線性溫標(biāo)三個(gè)等距點(diǎn)上的電壓或固定電阻值熱敏電阻的電阻為零誤差。

假定RS=0Ω，圖4電路用與熱敏電阻串聯(lián)的R1線性化熱敏電阻的輸出。迫使加在R1上的電壓在所需溫度范圍線性溫標(biāo)三個(gè)點(diǎn)上的誤差為零。應(yīng)用溫度范圍確定最大誤差。此電路中，溫度范圍為-50℃～100℃。在50℃，25℃和100℃的誤差是零，其他溫度誤差由S狀曲線分配。

用這種方法，熱敏電阻的非線性負(fù)溫度特性轉(zhuǎn)變?yōu)?2%峰值誤差的線性關(guān)系。隨著溫度范圍縮小，誤差明顯變小10℃范圍為0.01℃，30℃范圍為0.05℃，60℃范圍為2.0℃。

式中RTMID、RTLO和RTHI分別為中間范圍、低端范圍和高端范圍熱敏電阻阻抗。

消除自熱效應(yīng)

熱敏電阻自熱效應(yīng)可使整個(gè)系統(tǒng)性能降低。在靜止空氣中這些效應(yīng)更明顯。如果把熱敏電阻放置在流動(dòng)空氣液體或固體中，自然誤差相當(dāng)小。為保持最大自然誤差在0.1℃內(nèi)，需限制電路中的電流，保持熱敏電阻RT中的功耗最大為0.1mW。圖2所示的電路用200μA恒流電流激勵(lì)熱敏電阻，熱敏電阻在25℃功耗為12μA恒流源，熱敏電阻在25℃功耗3μW。熱敏電阻在-55℃～70℃工作范圍內(nèi)功耗小于0.1mW。

圖4中，最大功耗點(diǎn)（當(dāng)自熱效應(yīng)最壞時(shí)）RT值等于R1時(shí)。圖4中的串聯(lián)電阻RS將限制電路中的電流，并保持熱敏電阻功耗在可接受水平，故可忽略熱敏電阻的自熱效應(yīng)。6kΩ阻值對(duì)限制電路中電流是足夠的，并保證熱敏電阻中最大功耗小于0.1mW。

結(jié)語(yǔ)

熱敏電阻特別適合于對(duì)限制溫度范圍的測(cè)溫應(yīng)用。其價(jià)格比RTD和熱電偶都低。特別適用于測(cè)量遠(yuǎn)程距離地點(diǎn)的溫度，這是因?yàn)橐€電阻與熱敏電阻高阻值相比不是重要的。這種器件對(duì)于小的溫度變化具有明顯的電阻變化。使熱敏電阻可用于高分辨率測(cè)量。

熱敏電阻有高度互換性和尺寸小的特點(diǎn)。把熱敏電阻與高分辨率A/D變換器結(jié)合起來(lái)可構(gòu)成高精度、高分辨率溫度測(cè)量系統(tǒng)。

熱敏電阻的缺點(diǎn)是需要線性化，熱敏電阻應(yīng)用在有限溫度范圍內(nèi)。