溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)方案

溫度檢測(cè)和控制應(yīng)用的范圍非常廣泛，所以有許多設(shè)計(jì)可供選擇。本方案提供深層次設(shè)計(jì)信息和電路，用于使用最流行的熱傳感器構(gòu)建熱檢測(cè)信號(hào)鏈。

一般而言，設(shè)計(jì)熱檢測(cè)和控制系統(tǒng)的第一步是確定必須檢測(cè)的溫度范圍以及工作環(huán)境溫度范圍。下一步是選擇熱傳感器。熱傳感器的類型主要有四種：硅、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。Maxim 提供完備的信號(hào)鏈方案或集成 IC，可接收溫度變送器信號(hào)、對(duì)其進(jìn)行處理，以及提供返回至控制器件的模擬或數(shù)字通信通路。

設(shè)計(jì)溫度傳感器電路的第一步是選擇將使用的溫度變送器。為實(shí)現(xiàn)以上目的，就需要了解被測(cè)量介質(zhì)（空氣、水，液體、固體）和測(cè)量溫度范圍。然后需要知道在測(cè)量范圍內(nèi)需要達(dá)到的測(cè)量精度。

常見的溫度變送器包括：

在保證傳感器量程必須滿足應(yīng)用的同時(shí)，通常還有附加選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括傳感器的安裝以及信號(hào)鏈和傳感器的成本。

選定變送器后，下一步是確定如何從變送器提取有用信號(hào)并將其傳輸至控制器。信號(hào)析取電路稱為信號(hào)鏈。對(duì)于每種變送器，有多種信號(hào)鏈可供選擇，包括單芯片方案。影響選擇使用哪種信號(hào)鏈的因素包括準(zhǔn)確度、靈活性、設(shè)計(jì)便利性以及成本。

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(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。其特性包括寬溫范圍（可高達(dá)+1800°C）、低成本（與封裝有關(guān)）、輸出電壓非常低（K 型熱電偶的輸出大約為 40μV/°C）、合理的線性度，以及中等復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理。熱電偶要求第二個(gè)溫度傳感器（冷端補(bǔ)償）作為溫度基準(zhǔn)，信號(hào)調(diào)理要求查找表或算法修正。

下表所示為常見的熱電偶類型的輸出電壓與溫度關(guān)系：

下圖（圖 1）曲線所示為溫度量程范圍內(nèi)的電壓輸出。該曲線具有合理的線性度，盡管它相對(duì)于絕對(duì)線性具有明顯的偏差。

圖 1. K 型熱電偶輸出電壓和溫度關(guān)系。

下圖所示為相對(duì)于直線近似的偏差，假設(shè)平均靈敏度為 41.28μV/°C 時(shí)在 0°C 至+1000°C 范圍內(nèi)為線性輸出。為提高準(zhǔn)確度，可通過計(jì)算實(shí)際值或利用查找表進(jìn)行線性度修正。

圖 2. K 型熱電偶相對(duì)于直線近似的偏差。

如果溫度范圍較窄，熱電偶輸出非常低，利用熱電偶測(cè)量溫度就比較困難。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線（或引線）時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測(cè)量的復(fù)雜性。該接觸點(diǎn)被稱為冷端（見圖 3）。

圖 3. 熱電偶電路簡(jiǎn)圖。

圖 4 所示為完整的熱電偶至數(shù)字輸出電路。精密運(yùn)放和精密電阻為熱電偶輸出信號(hào)提供增益。通過監(jiān)測(cè)冷端位置處的溫度傳感器來修正冷端溫度，由 ADC 提供所需分辨率的輸出數(shù)據(jù)。一般情況下，需要通過校準(zhǔn)來修正放大器失調(diào)電壓，以及電阻、溫度傳感器和電壓基準(zhǔn)誤差，并且必須進(jìn)行線性化，來修正熱電偶非線性溫度 - 電壓關(guān)系的影響。

圖 4. 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例。

Maxim 制造的專用單芯片熱電偶接口可為各種類型的熱電偶實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理功能，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，并大大減少放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(shù)量。IC 列于“電路圖”標(biāo)簽頁(yè)。

Maxim 熱電偶方案

Maxim 提供適用于熱電偶傳感器的單芯片和分立式信號(hào)鏈方案。Maxim 的單芯片熱電偶至數(shù)字輸出接口 IC 為 MAX31855。

電阻溫度檢測(cè)器 — RTD

RTD 本質(zhì)上是阻值隨溫度變化的電阻。其特性包括寬溫范圍（高達(dá) 800°C）、卓越的精度和可重復(fù)性、合理的線性度，以及必要的信號(hào)調(diào)理功能。RTD 的信號(hào)調(diào)理通常包括一個(gè)精密電流源和一個(gè)高分辨率 ADC。盡管 RTD 的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，根據(jù)基材的不同，其成本會(huì)較高。鉑是最常見的 RTD 材料，鉑 RTD 表示為 PT-RTD，其準(zhǔn)確度最高；其它 RTD 材料包括鎳、銅和鎢（罕見）。RTD 的形式有探頭、表貼封裝以及裸線。

確定 RTD 可用量程的一個(gè)因素是 RTD 封裝。通過將鉑沉積在陶瓷基片上或?qū)K絲安裝在封裝內(nèi)，可制成 RTD?；蚍庋b相對(duì)于鉑元件的膨脹率差異會(huì)引起附加誤差。

對(duì)于 PT-RTD，最常見的阻值為：0°C 時(shí)，標(biāo)稱阻值為 100Ω （PT100）、500?（PT500）和 1kΩ （PT1000），當(dāng)然也有其它電阻值。0°C 和+100°C 之間的平均斜率稱為阿爾法（α）。該值與鉑中的雜質(zhì)及其密度有關(guān)。最常見的兩個(gè)α值是：0.00385 和 0.00392，分別對(duì)應(yīng)于 IEC 751 （Pt100）和 SAMA 標(biāo)準(zhǔn)。

阻值與溫度的關(guān)系曲線具有適當(dāng)?shù)木€性度，但有一定彎曲，可由 Callendar-Van Dusen 方程表示：

R（T） = R0（1 + aT + bT2 + c（T - 100）T3）

關(guān)于該公式的更多信息請(qǐng)參考 Maxim 熱管理設(shè)計(jì)手冊(cè)。

下圖（圖 5）所示為一個(gè) PT100 RTD 的阻值 - 溫度曲線，利用α進(jìn)行了直線近似。注意，直線近似在 -20°C 至+120°C 范圍內(nèi)的精度優(yōu)于±0.4°C。

圖 5. PT100 RTD 電阻與溫度的關(guān)系曲線，同時(shí)也顯示了 0°C 至+100°C 范圍內(nèi)的直線近似。

圖 6 所示為實(shí)際阻值與利用直線近似計(jì)算值之間的誤差（單位為攝氏度）。

圖 6. PT100 的非線性，與基于 0°C 至+100°C 斜率的線性近似比較。

簡(jiǎn)單 2 線 RTD 的信號(hào)調(diào)理通常包括一個(gè)精密電阻（基準(zhǔn)電阻），與 RTD 串聯(lián)。對(duì) RTD 和精密基準(zhǔn)電阻施加電流的電流源，連接至高分辨率 ADC 的輸入?；鶞?zhǔn)電阻兩端的電壓為 ADC 的基準(zhǔn)電壓。ADC 的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 RTD 電阻與基準(zhǔn)電阻之比。圖 7 所示為簡(jiǎn)單 RTD 信號(hào)調(diào)理電路示例。

有幾種常見變種。電流源可能集成至 ADC，或者可能省去電流源并利用電壓源為 RTD-RREF 分壓器提供偏壓。因?yàn)殡妷涸粗挥性谶B接 RTD 和電路的線阻極低時(shí)才具有高準(zhǔn)確度結(jié)果，所以該方法不像電流源那么常見。

圖 7. RTD 信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)化圖。

3 線或 4 線 RTD 接口

如果 RTD 的電纜電阻較大（對(duì) PT100 而言通常為數(shù) m?），一般使用 3 線或 4 線 RTD。4 線接口采用加載和感應(yīng)連接 RTD，以消除線阻效應(yīng)；3 線提供一種折中方案，部分抵消線阻效應(yīng)。盡管外部線性電路可在有限溫度范圍內(nèi)提供較好的線性化，但通常使用查找表實(shí)現(xiàn)線性化。

為測(cè)量 RTD 的電阻，必須有一個(gè)小電流（大約 1 mA）通過傳感器，產(chǎn)生必要的電壓降。高電流致使 RTD 的鉑元素加熱至 RTD 的環(huán)境溫度以上（也稱為焦耳熱效應(yīng)）。熱量與 RTD 中的電功率（P=I2R）以及 RTD 檢測(cè)元件與 RTD 環(huán)境之間的熱傳遞成比例。

最常用的 RTD 容限標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E1137） A 級(jí)和 B 級(jí)，以及歐盟標(biāo)準(zhǔn) IEC 751 A 級(jí)和 B 級(jí)。

其中|t|為絕對(duì)溫度值，單位為°C。

Maxim RTD 方案

Maxim 提供單芯片和分立式信號(hào)鏈方案，用于 RTD 傳感器。Maxim 的單芯片 RTC 至數(shù)字輸出接口為 MAX31865。

熱敏電阻

熱敏電阻是一種熱變電阻，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或高分子材料。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。熱敏電阻可以是探頭、表貼、裸線等不同形式的專用封裝。

熱敏電阻能夠測(cè)量中等溫度范圍（通?？蛇_(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測(cè)量更高溫度），成本為中 / 低等（取決于準(zhǔn)確度），線性度雖然較差，但具有可重復(fù)性。熱敏電阻的線性度隨溫度波動(dòng)較大。在 0°至 70°C 溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的非線性可達(dá)±2°C 至±2.5°C；在 10°至 40°C 溫度范圍內(nèi)的典型非線性可達(dá)±0.2°C。

使用熱敏電阻的一種簡(jiǎn)單、常見方法是使用分壓器，如圖 8 所示，其中的一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)定值電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出被一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化。

圖 8. 圖中的基本電路說明了熱敏電阻如何連接至 ADC。電阻 R1 和熱敏電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出電壓依賴于溫度。

NTC 熱敏電阻在較寬溫度范圍內(nèi)的負(fù)溫度系數(shù)較大。常見 NTC 的電阻值與溫度之間的關(guān)系請(qǐng)參見圖 9。對(duì)于較寬溫度范圍內(nèi)的線性和對(duì)數(shù)修正，這是個(gè)問題。

圖 9. 標(biāo)準(zhǔn) NTC 的電阻 - 溫度曲線。標(biāo)稱電阻為 10kΩ @ +25°C。注意曲線（a）的非線性和較高負(fù)溫度系數(shù)。曲線（b）為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，也呈現(xiàn)明顯的非線性。

NTC 在較寬溫度范圍內(nèi)的非線性會(huì)影響選擇用于數(shù)字化溫度信號(hào)的 ADC。由于圖 9 中的曲線斜率在極溫時(shí)下降明顯，所以與 NTC 一起使用的任何 ADC 的有效溫度分辨率在這些極溫下都受限，這就通常要求使用高分辨率 ADC。

如圖 8 所示一樣，將 NTC 與定值電阻組合使用，可提供一定的線性度，如圖 10 所示。通過選擇合適的定值電阻值，可將曲線上線性度最好的溫度范圍平移至滿足具體的應(yīng)用需求。

圖 10. 如圖 9 所示設(shè)計(jì)一個(gè) NTC 分壓器有助于在有限的溫度范圍內(nèi)線性化 NTC 的阻值曲線。NTC 和外部電阻 R1 上的電壓表示為溫度的函數(shù)。注意電壓在 0°C 至+70°C 范圍內(nèi)大體呈線性。

對(duì)于較寬溫度范圍的應(yīng)用，常見方法是使用 Steinhart–Hart 方程，這提供了三階近似。Steinhart–Hart 方程中，200°C 溫度范圍內(nèi)的誤差一般小于 0.02?C。

Maxim 熱敏電阻方案

Maxim 生產(chǎn)幾款基于單芯片熱敏電阻的不同數(shù)字輸出 IC。MAX31865 設(shè)計(jì)用于 RTD，也是用于熱敏電阻的極好選擇。

硅傳感器

硅溫度傳感器具有模擬或數(shù)字輸出。盡管硅傳感器的溫度范圍有限，但易于使用，并且許多具有附加功能，例如溫度監(jiān)控器功能。

模擬溫度傳感器

如果需要通過電流環(huán)路將輸出發(fā)送至監(jiān)測(cè)設(shè)備，模擬溫度傳感器非常有用。這種情況下也可轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，但信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)額外的轉(zhuǎn)換步驟。

模擬溫度傳感器 IC 利用雙極晶體管的熱特性來形成一路與溫度成正比的輸出電壓，有些情況下為電流。

最簡(jiǎn)單的模擬溫度傳感器只有三個(gè)有源連接：地、電源電壓輸入和輸出。其它具有增強(qiáng)特性的模擬傳感器還有更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準(zhǔn)輸出。

圖 11 所示為典型的模擬溫度傳感器， MAX6605 的輸出電壓 - 溫度曲線；圖 12 所示為該傳感器相對(duì)于直線的偏差。在 0°C 至+85°C 溫度范圍，線性度大約在±0.2°C 之內(nèi)，這相對(duì)于熱敏電阻、RTD 及熱電偶來說是相當(dāng)好的。

圖 11. MAX6605 模擬溫度檢測(cè) IC 的輸出電壓 - 溫度曲線。

圖 12. MAX6605 輸出電壓相對(duì)于直線的偏差。從 0°C 至+85°C 內(nèi)的線性度在大約±0.2°C 范圍之內(nèi)。

模擬溫度傳感器可具有非常優(yōu)異的準(zhǔn)確度。例如，DS600 在 -20°C 至+100°C 范圍內(nèi)的保證準(zhǔn)確度為±0.5°C；也有誤差容限較大的模擬傳感器，但是其中許多都具有非常小的工作電流（數(shù)量級(jí)為最大 15μA），并且封裝很小（例如 SC70）。

數(shù)字溫度傳感器

將一個(gè)模擬溫度傳感器與一個(gè) ADC 集成在一起，是創(chuàng)建具有直接數(shù)字接口的溫度傳感器的簡(jiǎn)單方式。這樣的器件通常被稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器?！氨镜亍笔侵?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的是其自身的溫度，而遠(yuǎn)端傳感器測(cè)量的是外部 IC 或分立式晶體管的溫度。

圖 13 所示為兩個(gè)數(shù)字溫度傳感器的框圖。圖 13a 所示為一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)量溫度的傳感器，并通過一個(gè) 3 線數(shù)字接口輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。圖 13b 所示的器件具備更多特性，例如過溫 / 欠溫輸出、為這些輸出設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器，以及 EEPROM。

圖 13. 本地?cái)?shù)字溫度傳感器框圖。（a） 帶有串行數(shù)字輸出的簡(jiǎn)單傳感器。（b） 具有更多功能的傳感器，例如過溫 / 欠溫報(bào)警輸出和用戶 EEPROM。

使用數(shù)字溫度傳感器的好處之一是傳感器的準(zhǔn)確度指標(biāo)內(nèi)包括了在將溫度值數(shù)字化時(shí)所產(chǎn)生的所有誤差；相比之下，模擬溫度傳感器的規(guī)定誤差還必須加上 ADC、放大器、電壓基準(zhǔn)或傳感器所使用的其它元件的規(guī)定誤差。極高性能數(shù)字溫度傳感器的例子之一是 MAX31725，在 -40°C 至+105°C 溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度達(dá)到±0.5°C。MAX31725 可用于 -55°C 至+125°C 溫度范圍，最大溫度誤差只有±0.7°C，分辨率為 16 位（0.00390625°C）。

大多數(shù)數(shù)字溫度傳感器都具有一路或多路輸出來指示實(shí)測(cè)溫度已經(jīng)超出了預(yù)設(shè)（通常軟件可編程）限值。輸出行為可以像一個(gè)比較器輸出一樣，當(dāng)溫度高于門限時(shí)為一種狀態(tài)，當(dāng)溫度低于門限時(shí)為另一種狀態(tài)。另一種常見的輸出實(shí)現(xiàn)方法就像一個(gè)中斷，只有主控設(shè)備采取動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)后才會(huì)被復(fù)位。

數(shù)字溫度傳感器可帶有各種各樣的數(shù)字接口，包括 I2C、SMBusTM、SPITM、1-Wire?和 PWM。