熱敏電阻結(jié)合高分辨∑△A/D變換器測量溫度

溫度是工業(yè)、消費類和計算機應用中最普遍測量的變量之一，而熱敏電阻是監(jiān)控這種物理條件主要手段之一。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量。也必須為熱敏電阻本身自熱效應選擇激勵源和補償。過熱所引起的誤差導致器件電阻變化，使誤差進入測量系統(tǒng)。

在測量溫度的大多數(shù)應用中，必須把測量值從模擬變?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調(diào)理元件，這是一種高精度、低成本系統(tǒng)實現(xiàn)方案。

測溫用熱敏電阻

熱敏電阻是用半導體材料制作的電路元件，它們有高負溫度系數(shù)（NTC）或高正溫度系數(shù)（PTC）特性。一個NTC熱敏電阻相當于一個電阻器，溫度系數(shù)范圍為-3%～-5%/℃。熱敏電阻器，絕對值輸出在其工作溫度范圍的變化為萬分之一。高靈敏度使熱敏電阻電路能檢測溫度的瞬間變化，而熱耦或RTD不可能做到。NTC熱敏電阻最適合 精密溫度測量，PTC熱敏電阻更適合開關(guān)應用。

在很多應用中，熱敏電阻顯示出高穩(wěn)定性、精密、小尺寸、靈活性和價廉的特點。它們也具有快速響應時間，屬于最靈敏溫度傳感器之列。工程師、科學家和技術(shù)為員把熱敏電阻用于通信、儀器、汽車、醫(yī)學、航空、航天以及消費類等應用。

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個數(shù)據(jù)點解3個聯(lián)立方程就可求出A、B、C。所選數(shù)據(jù)點間距不超過熱敏電阻溫度范圍標定中點100℃時，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)采含有應用中，需要高分辨率A/D變換器把測量電路所含熱敏電阻產(chǎn)生的信號進行數(shù)字化。Analog Devices公司的AD7711（見圖1）是一款信號調(diào)理A/D變換器，特別適合采用熱敏電阻測溫應用。

這種集成解決方案提供片上電源和電壓基準，可用一個恒流源或一個比值電壓激勵熱敏電阻。AD7711也包含可編程增益放大器，提供1～128增益，使前端信號范圍達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現(xiàn)數(shù)字化所需要的增益，避免了與分立信號調(diào)理電路有關(guān)的噪聲和失調(diào)問題。

模擬輸入是差分輸入，共模抑制大于90dB（達幾kHz）。這種輸入可排除來自測量大的DC電壓?；鶞瘦斎胍彩遣罘中问?，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：可從輸入信號排除主頻分量和傳感器激勵頻率，在應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。陷波濾波可設置在50Hz或60Hz，以消除來自系統(tǒng)的線頻率分量。片上數(shù)字濾波不僅僅提供帶外信號衰減而且也降低了防假頻要求（由于在∑△處理中采用高過取樣率的結(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計。

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

電流激勵的傳敏電阻應用電路

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℃標定電阻300Ω。此電路中激勵熱敏電阻的同一電流源也產(chǎn)生基準電壓。因此，激勵電流變化不影響性能。在應用中最普遍的連線配置是4線沖頭/感測配置，這種連線配置也可降低引線電阻對系統(tǒng)性能的影響。

驅(qū)動線的引線電阻只改變共模電壓而不降低電路性能。感測線的引線電阻是不重要的，這是因為AD7711模擬高輸入阻抗連線上沒有電流。

很多應用只用兩根線連到熱敏電阻，這是因為線過溫電阻明顯低于熱敏電阻元件值。但基準設計電阻器必須具有低溫度系數(shù)以防止基準電壓過溫誤差。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達到最大值。用2V基準和1～128增益范圍，AD7711可接受0mV和15mV及0V和2V之間的單極信號。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便可達到整個范圍。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∑△變換器設計的完全比值測量系統(tǒng)，未用片上電流源或電壓基準。在該應用中，恒流源是由電壓基準和運放產(chǎn)生。用于激勵熱敏電阻的同一恒流源也為A/D變換器產(chǎn)生基準。因為比值工作，所以消除測量系統(tǒng)中的漂移誤差。這種變換器沒有片上電壓基準或電流源，所以必須外部產(chǎn)生熱敏電阻激勵和AD7705基準。此應用中的熱敏電阻是用運放和外基準所產(chǎn)生的恒流源激勵。恒流源為AD7705產(chǎn)生基準。這種實現(xiàn)方法是完全比值，而激勵電流變化不降低系統(tǒng)性能。當增益為1時，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。

電壓激勵熱敏電阻應用電路

圖4所示的電路中，激勵熱敏電阻的電壓源來自AD7711。熱敏電阻是10k3A（Betatherm公司），在25℃標定阻抗是10kΩ。電路中兩個電阻器（RS和R1）與熱敏電阻串聯(lián)，也可用RS=0Ω實現(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RS=0Ω時，跨接在R1上輸出電壓變化范圍從-50℃的33mV到100℃的2.329V。當工作在增益為1單極工作模式時，AD7711適用0V到2.5V輸入信號范圍。假若應用需要A/D變換器滿動態(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，當變換器在輸入為33mV時，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，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)電阻器實現(xiàn)線性化，使線性溫標三個等距點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三個點上的誤差為零。應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

熱敏電阻自熱效應可使整個系統(tǒng)性能降低。在靜止空氣中這些效應更明顯。如果把熱敏電阻放置在流動空氣液體或固體中，自然誤差相當小。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（當自熱效應最壞時）RT值等于R1時。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。6kΩ阻值對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

熱敏電阻特別適合于對限制溫度范圍的測溫應用。其價格比RTD和熱電偶都低。特別適用于測量遠程距離地點的溫度，這是因為引線電阻與熱敏電阻高阻值相比不是重要的。這種器件對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量。

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

熱敏電阻的缺點是需要線性化，熱敏電阻應用在有限溫度范圍內(nèi)。