熱敏電阻結合高分辨∑△A/D變換器測量溫度

溫度是工業(yè)、消費類(lèi)和計算機應用中最普遍測量的變量之一，而熱敏電阻是監控這種物理條件主要手段之一。但必須在數字或模擬范圍線(xiàn)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(guò)熱所引起的誤差導致器件電阻變化，使誤差進(jìn)入測量系統。

在測量溫度的大多數應用中，必須把測量值從模擬變?yōu)閿底中问?。采用高精度∑△變換器可大大減少變換所需的大量信號調理元件，這是一種高精度、低成本系統實(shí)現方案。

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（NTC）或高正溫度系數（PTC）特性。一個(gè)NTC熱敏電阻相當于一個(gè)電阻器，溫度系數范圍為-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(wàn)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(kāi)關(guān)應用。

在很多應用中，熱敏電阻顯示出高穩定性、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)、醫學(xué)、航空、航天以及消費類(lèi)等應用。

熱敏電阻溫度曲線(xiàn)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(xiàn)擬合常數

選擇數據曲線(xiàn)的3個(gè)數據點(diǎn)解3個(gè)聯(lián)立方程就可求出A、B、C。所選數據點(diǎn)間距不超過(guò)熱敏電阻溫度范圍標定中點(diǎn)100℃時(shí)，方程近似±0.02℃曲線(xiàn)擬合。

高分辨率數據采集

在數據采含有應用中，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(jìn)行數字化。Analog Devices公司的AD7711（見(jiàn)圖1）是一款信號調理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(gè)恒流源或一個(gè)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∑△調制器中采用多樣方法實(shí)現數字化所需要的增益，避免了與分立信號調理電路有關(guān)的噪聲和失調問(wèn)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(lái)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(lái)自系統的線(xiàn)頻率分量。片上數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(guò)取樣率的結果）。

可以消除A/D變換器所引起的失調和增益誤差，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A/D變換差分計算失調和增益校正因數。片上校正不僅僅消除了由A/D變換器所引起的失調和增益誤差，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、∑△調制器和數字濾波器（它沒(méi)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(xiàn)配置是4線(xiàn)沖頭/感測配置，這種連線(xiàn)配置也可降低引線(xiàn)電阻對系統性能的影響。

驅動(dòng)線(xiàn)的引線(xiàn)電阻只改變共模電壓而不降低電路性能。感測線(xiàn)的引線(xiàn)電阻是不重要的，這是因為AD7711模擬高輸入阻抗連線(xiàn)上沒(méi)有電流。

很多應用只用兩根線(xiàn)連到熱敏電阻，這是因為線(xiàn)過(guò)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以防止基準電壓過(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(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∑△變換器設計的完全比值測量系統，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，所以消除測量系統中的漂移誤差。這種變換器沒(méi)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(shí)現方法是完全比值，而激勵電流變化不降低系統性能。當增益為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(lái)自AD7711。熱敏電阻是10k3A（Betatherm公司），在25℃標定阻抗是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。電阻器RS限制熱敏電阻功耗，電阻器R1線(xiàn)性化熱敏電阻輸出。當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輸入信號范圍。假若應用需要A/D變換器滿(mǎn)動(dòng)態(tài)范圍，則可以用變換器上的系統校正特性消除低端的33mV。因此，當變換器在輸入為33mV時(shí)，變換器數字輸出將為0。同樣在高端可以用系統全量程校正，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SNR最大。

熱敏電阻輸出線(xiàn)性化

熱敏電阻輸出線(xiàn)性化在一般應用中可用兩種方法，在數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3階線(xiàn)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)現線(xiàn)性化，使線(xiàn)性溫標三個(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(xiàn)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(xiàn)性溫標三個(gè)點(diǎn)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(xiàn)分配。

用這種方法，熱敏電阻的非線(xiàn)性負溫度特性轉變?yōu)?2%峰值誤差的線(xiàn)性關(guān)系。隨著(zhù)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(gè)系統性能降低。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(dòng)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，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℃工作范圍內功耗小于0.1mW。

圖4中，最大功耗點(diǎn)（當自熱效應最壞時(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。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。

結語(yǔ)

熱敏電阻特別適合于對限制溫度范圍的測溫應用。其價(jià)格比RTD和熱電偶都低。特別適用于測量遠程距離地點(diǎn)的溫度，這是因為引線(xiàn)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(diǎn)。把熱敏電阻與高分辨率A/D變換器結合起來(lái)可構成高精度、高分辨率溫度測量系統。

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