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高精度的溫度傳感電路設計
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時(shí)間：2011-03-10
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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在大多數的工業(yè)用測量控制監測體系中，溫度測量傳感電路的設計都是一個(gè)重要的組成部分。它廣泛應用于很多特定的環(huán)境控制處理計算中。一些最常見(jiàn)的傳感器可以用于測量絕對溫度或者溫度變化，例如是電阻式的溫度檢測器(RTD)、二極管傳感器、熱敏電阻傳感器以及熱電偶傳感器等等。
在這篇文章中，我們將介紹使用這些傳感器進(jìn)行精密溫度測量電路設計的要點(diǎn)。溫度傳感電路設計包括：正確選擇合適的溫度感應器以及必要的信號調節器和數字化器件產(chǎn)品，以便更有效地、更準確地測量溫度數值。
在我們介紹溫度測量系統之前,我們先來(lái)看看常見(jiàn)的傳統溫度傳感器設計電路的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。
傳統熱電偶傳感器設計電路
熱電偶傳感器工作的原理是當溫度不同時(shí)，兩種不同成分的金屬的接合點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓（或稱(chēng)為電動(dòng)勢）。一個(gè)熱偶由兩種不同的金屬端連接而成，相連的其中一端被稱(chēng)為熱端。另一端則被稱(chēng)為冷端，共同連接到溫度測試電路。熱端與冷端之間由于溫差的差異而導致產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種電動(dòng)勢可以用測量電路測量得到。圖1顯示的是一個(gè)基本的熱電偶傳感器電路。
圖1：基本的熱電偶傳感器設計電路
熱電偶傳感器產(chǎn)生的實(shí)際電壓取決于相對溫度之差以及被用于組成熱電偶傳感器的不同的金屬類(lèi)型。熱電偶的靈敏度和溫度測量范圍同樣與所使用的兩種金屬有很大關(guān)系。在市面上有許多類(lèi)型的熱電偶傳感器出售，它們可以根據所使用的不同金屬冷熱端來(lái)區分：例如，B型(鉑/銠)、J型(鐵/鎳銅合金)、和K型(鎳鉻合金/鋁鎳合金)。大家可以根據實(shí)際應用場(chǎng)合選擇合適的熱電偶傳感器器件。
熱電偶傳感器的主要優(yōu)勢是他們的魯棒性（在異常和危險情況下系統恢復正常運轉的特性）、寬溫范圍（零下270攝氏度到零上3000攝氏度）、響應快、封裝種類(lèi)多、成本較低。而它們的局限主要是精度較低和噪聲較大。
電阻式溫度檢測傳感器設計電路
電阻式溫度檢測傳感器（RTD）的工作原理是：由于每種金屬在不同溫度下具有特定的和獨特的電阻率特性，所以當溫度變化時(shí)檢測金屬電阻的變化，從而得到溫度測量數值。金屬的電阻是和它自己的長(cháng)度成正比、和截面積成反比的。這個(gè)比例數值取決于傳感器本身金屬材質(zhì)的電阻率大小。
為了更精確的測量溫度，RTD構造里金屬材料的選擇就成了一個(gè)比較關(guān)鍵的考慮因素。用于電阻式溫度檢測傳感器的金屬主要有鉑、鎳以及銅。在這三種材料中，金屬鉑制成的電阻式溫度檢測傳感器是最精確、最可靠的。它也具有不易被污染的環(huán)境等因素影響，可保證長(cháng)期穩定性和可重復性。這些電阻式溫度檢測傳感器主要優(yōu)點(diǎn)還有寬溫范圍(零下250攝氏度到零上900攝氏度)、高精度、和線(xiàn)性等等。其局限性則包括成本較高和響應略慢等等。
熱敏電阻傳感器設計電路
和電阻式溫度檢測傳感器RTD相類(lèi)似，熱敏電阻傳感器的工作原理也是隨溫度的變化，電阻阻值相應變化。只是，一般的熱敏電阻都擁有一個(gè)可計算的負溫度系數。熱敏電阻傳感器的主要優(yōu)勢是它們的價(jià)格低并且精度可以接受。它們的缺點(diǎn)是溫度范圍非線(xiàn)性。然而，鑒于當今許多微控制器芯片上都有片上閃存，可以建立一個(gè)可查詢(xún)糾錯的數據表來(lái)減少非線(xiàn)性問(wèn)題帶來(lái)的精度影響范圍。如果需要測量的溫度范圍在零下100攝氏度到零上300攝氏度之內，則熱敏電阻傳感器仍可以作為比較可靠的和比較精密的溫度測量設備。
溫度測量系統
在溫度監測系統中，傳感器必須把溫度轉換成電信號，經(jīng)過(guò)信號調節階段(信號處理取決于不同的傳感器)，然后送到一個(gè)模擬數字轉換器(ADC)，進(jìn)行轉換得到數值。系統還需要通信外設電路來(lái)和其它大的設備接口連接以便提供反饋，或者將數值送至片上閃存來(lái)存儲測量值或者進(jìn)行必要的顯示。圖2顯示了溫度測量系統的基本框圖。
圖2：溫度測量系統框圖
盡管圖2顯示在A(yíng)DC之前進(jìn)行了信號處理，是否有需要在信號轉換之后進(jìn)行處理還取決于是模擬系統還是數字系統。整體精度依賴(lài)于噪聲控制、偏移、預處理電路及ADC所帶來(lái)的增益誤差。很多應用需要從遠端進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度數據采集，比如礦場(chǎng)、工業(yè)、和各種自動(dòng)化場(chǎng)合。利用串行通信協(xié)議，如UART、I2C都可以用來(lái)給主系統控制器傳輸這種溫度數據。
如何提高熱電偶溫度傳感器精度
基于熱電偶傳感器的溫控系統廣泛應用于工業(yè)控制中，這是由于其很寬的溫度范圍的優(yōu)勢造成的。它的基本原理是通過(guò)測量接合點(diǎn)電動(dòng)勢來(lái)感應溫度。但它需要一個(gè)假設：假定冷端是恰恰是在攝氏零度。然而，讓冷端一直保持在這個(gè)溫度是不切合實(shí)際的。為了實(shí)現精確測量，需要應用一種技術(shù)手段，我們可以稱(chēng)之為冷端補償(CJC)。
為了進(jìn)行冷端補償，基于熱電偶的精密溫度測量系統里附加了一個(gè)溫度傳感器(安裝在冷端的頂頭)來(lái)測量冷端的溫度。冷端的溫度測量最常用的是熱敏電阻傳感器，因為其成本低，溫度范圍可以覆蓋冷端溫度，滿(mǎn)足大多數應用。為了測量CJC電壓、先要找冷端溫度，然后檢查熱電偶電動(dòng)勢來(lái)求得溫度。加上冷端電壓后產(chǎn)生出CJC電壓，其相應的溫度就是實(shí)際溫度。
熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢只有幾u(yù)V，這使它很容易受到噪聲干擾。并且，在這個(gè)信號傳輸給模數轉換器之前，它需要被放大(這同時(shí)也會(huì )增加噪聲和偏移)。在精密測量中，應該去除這類(lèi)噪聲和偏移。我們舉例來(lái)說(shuō)明如何使用相關(guān)雙抽樣方法(CDS)消除偏移和減少低頻噪聲。
CDS可以在信號處理階段減少低頻噪聲和偏移。首先，測量零參考偏移（兩個(gè)輸入都短路就可以測量到)，然后測量熱電偶電壓。當直接用熱電偶信號測量時(shí)，它包括實(shí)際熱電偶電壓、噪聲電壓、偏移量(見(jiàn)方程1)。零參考讀數包括噪聲和偏移量(見(jiàn)方程2)。
(方程1) VTCouple_Signal = VTC + VN + Voffset
(方程2) VZero_Ref = VN + Voffset
之前的零參考取樣數值和目前零參考測量數值的關(guān)系是:
(方程3) VZero_ref_Prev = (VN + Voffset)*Z-1
那么，當前的熱電偶測量值和之前的零參考電平的差是:
(方程4) Vsignal = (VTC + VN + Voffset) - (VN + Voffset)*Z-1
Voffset是靜態(tài)的, 所以它當前的值和之前的取樣數值是相同的。VN不是一成不變的，因為它是噪聲和漂移，所以需要被去除。從當前取樣值中減去前面的噪聲值將會(huì )去除低頻噪聲。由此可見(jiàn)，相關(guān)的雙抽樣方法CDS工作起來(lái)就像是高通濾波器。EECOL_2011Mar09_DSP_TA_50.pdf
模擬數字轉換器ADC的本身有一個(gè)低通濾波來(lái)去除高頻噪聲。然而，在模數轉換器ADC輸出端的IIR濾波器將有助于進(jìn)一步弱化經(jīng)過(guò)它或傳輸給模擬數字轉換器ADC的噪聲頻帶。市面上的混合信號控制器都可配置數字濾波器，它可以通過(guò)器件本身硬件處理過(guò)濾而無(wú)需在固件電路上進(jìn)行過(guò)濾從而可以節省CPU周期。圖3所示實(shí)現了一個(gè)基于熱電偶的溫度監測系統，它使用了賽普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件來(lái)實(shí)現。這些器件都有片上20位分辨率的delta-sigma模數轉換器，都內置了可編程增益緩存用來(lái)放大信號，內置了數字濾波器模塊(DFB)來(lái)濾波。它提供了一個(gè)高度集成的溫度測量系統。然而，由于設計中有熱電偶，所以可能需要附加一個(gè)增益段。這個(gè)增益可以通過(guò)一個(gè)放大器來(lái)實(shí)現，可以使用片上的可編程增益放大器(PGA)。
圖3：基于熱電偶傳感器的溫度測量系統電路
在圖3的系統中，模擬MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用來(lái)把傳感器正端和負端輸出的信號轉換成模數轉換器的正輸入來(lái)實(shí)施相關(guān)雙抽樣?，F在的問(wèn)題是使用相同的模數轉換器時(shí)如何讓兩個(gè)傳感器電路都是一樣的零參考值。答案是這樣的--熱敏電阻、熱電偶有不同的輸出電壓范圍，因此需要不同倍數的放大。PSoC3和PSoC5器件中的ADC有多個(gè)配置，可以改變運行時(shí)間。對于不同的增益設置，偏移也不同，所以需要兩種傳感器電路中都使用相關(guān)雙抽樣。這會(huì )幫助消除整個(gè)模擬信號鏈的偏移。AMux用于傳感器在熱電偶、熱敏電阻之間的選擇。直接內存訪(fǎng)問(wèn)(DMA)讀取ADC值并寫(xiě)入數字濾波模塊(DFB)來(lái)過(guò)濾噪聲。
RTD和熱敏電阻溫度傳感器設計電路
使用電阻式溫度檢測器（RTD）和熱敏電阻測量溫度時(shí)需要測量電阻，所以測量的方式?jīng)Q定了系統的精度。為了測量到精確的信號，應該
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