在大多數(shù)的工業(yè)用測量控制監(jiān)測體系中，溫度測量傳感電路的設(shè)計(jì)都是一個(gè)重要的組成部分。它廣泛應(yīng)用于很多特定的環(huán)境控制處理計(jì)算中。一些最常見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" title="檢測">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(shè)計(jì)的要點(diǎn)。溫度傳感電路設(shè)計(jì)包括：正確選擇合適的溫度感應(yīng)器以及必要的信號調(diào)節(jié)器和數(shù)字化器件產(chǎn)品，以便更有效地、更準(zhǔn)確地測量溫度數(shù)值。

　　在我們介紹溫度測量系統(tǒng)之前，我們先來看看常見的傳統(tǒng)溫度傳感器" title="溫度傳感器">溫度傳感器設(shè)計(jì)電路的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)熱電偶傳感器設(shè)計(jì)電路

　　熱電偶傳感器工作的原理是當(dāng)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（或稱為電動勢）。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為熱端。另一端則被稱為冷端，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(dǎo)致產(chǎn)生電動勢。這種電動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(shè)計(jì)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。在市面上有許多類型的熱電偶傳感器出售，它們可以根據(jù)所使用的不同金屬冷熱端來區(qū)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(jù)實(shí)際應(yīng)用場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(xiǎn)情況下系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的特性）、寬溫范圍（零下270攝氏度到零上3000攝氏度）、響應(yīng)快、封裝種類多、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(shè)計(jì)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(dú)特的電阻率特性，所以當(dāng)溫度變化時(shí)檢測金屬電阻的變化，從而得到溫度測量數(shù)值。金屬的電阻是和它自己的長度成正比、和截面積成反比的。這個(gè)比例數(shù)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(gòu)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，可保證長期穩(wěn)定性和可重復(fù)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" title="高精度">高精度、和線性等等。其局限性則包括成本較高和響應(yīng)略慢等等。

　　熱敏電阻傳感器設(shè)計(jì)電路

　　和電阻式溫度檢測傳感器RTD相類似，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(yīng)變化。只是，一般的熱敏電阻都擁有一個(gè)可計(jì)算的負(fù)溫度系數(shù)。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)是溫度范圍非線性。然而，鑒于當(dāng)今許多微控制器芯片上都有片上閃存，可以建立一個(gè)可查詢糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)表來減少非線性問題帶來的精度影響范圍。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(nèi)，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(shè)備。

　　溫度測量系統(tǒng)

　　在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器必須把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)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(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)值。系統(tǒng)還需要通信外設(shè)電路來和其它大的設(shè)備接口連接以便提供反饋，或者將數(shù)值送至片上閃存來存儲測量值或者進(jìn)行必要的顯示。圖2顯示了溫度測量系統(tǒng)的基本框圖。

　　圖2：溫度測量系統(tǒng)框圖。

　　盡管圖2顯示在ADC之前進(jìn)行了信號處理，是否有需要在信號轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行處理還取決于是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)。整體精度依賴于噪聲控制、偏移、預(yù)處理電路及ADC所帶來的增益誤差。很多應(yīng)用需要從遠(yuǎn)端進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集，比如礦場、工業(yè)、和各種自動化場合。利用串行通信協(xié)議，如UART、I2C都可以用來給主系統(tǒng)控制器傳輸這種溫度數(shù)據(jù)。

　　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(tǒng)廣泛應(yīng)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測量接合點(diǎn)電動勢來感應(yīng)溫度。但它需要一個(gè)假設(shè)：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(xiàn)精確測量，需要應(yīng)用一種技術(shù)手段，我們可以稱之為冷端補(bǔ)償（CJC）。

　　為了進(jìn)行冷端補(bǔ)償，基于熱電偶的精密溫度測量系統(tǒng)里附加了一個(gè)溫度傳感器（安裝在冷端的頂頭）來測量冷端的溫度。冷端的溫度測量最常用的是熱敏電阻傳感器，因?yàn)槠涑杀镜停瑴囟确秶梢愿采w冷端溫度，滿足大多數(shù)應(yīng)用。為了測量CJC電壓、先要找冷端溫度，然后檢查熱電偶電動勢來求得溫度。加上冷端電壓后產(chǎn)生出CJC電壓，其相應(yīng)的溫度就是實(shí)際溫度。

　　熱電偶產(chǎn)生的電動勢只有幾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(shù)轉(zhuǎn)換器之前，它需要被放大（這同時(shí)也會增加噪聲和偏移）。在精密測量中，應(yīng)該去除這類噪聲和偏移。我們舉例來說明如何使用相關(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(dāng)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（見方程1）。零參考讀數(shù)包括噪聲和偏移量（見方程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(shù)值和目前零參考測量數(shù)值的關(guān)系是：

　　（方程3） VZero_ref_Prev = （VN + Voffset）*Z-1

　　那么，當(dāng)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(dāng)前的值和之前的取樣數(shù)值是相同的。VN不是一成不變的，因?yàn)樗窃肼暫推疲孕枰蝗コ漠?dāng)前取樣值中減去前面的噪聲值將會去除低頻噪聲。由此可見，相關(guān)的雙抽樣方法CDS工作起來就像是高通濾波器。EECOL_2011Mar09_DSP_TA_50.pdf

　　模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的本身有一個(gè)低通濾波來去除高頻噪聲。然而，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸出端的IIR濾波器將有助于進(jìn)一步弱化經(jīng)過它或傳輸給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的噪聲頻帶。市面上的混合信號控制器都可配置數(shù)字濾波器，它可以通過器件本身硬件處理過濾而無需在固件電路上進(jìn)行過濾從而可以節(jié)省CPU周期。圖3所示實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于熱電偶的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，它使用了賽普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件來實(shí)現(xiàn)。這些器件都有片上20位分辨率的delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，都內(nèi)置了可編程增益緩存用來放大信號，內(nèi)置了數(shù)字濾波器模塊（DFB）來濾波。它提供了一個(gè)高度集成的溫度測量系統(tǒng)。然而，由于設(shè)計(jì)中有熱電偶，所以可能需要附加一個(gè)增益段。這個(gè)增益可以通過一個(gè)放大器來實(shí)現(xiàn)，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(tǒng)電路。

　　在圖3的系統(tǒng)中，模擬MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用來把傳感器正端和負(fù)端輸出的信號轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正輸入來實(shí)施相關(guān)雙抽樣。現(xiàn)在的問題是使用相同的模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)的放大。PSoC3和PSoC5器件中的ADC有多個(gè)配置，可以改變運(yùn)行時(shí)間。對于不同的增益設(shè)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(nèi)存訪問（DMA）讀取ADC值并寫入數(shù)字濾波模塊（DFB）來過濾噪聲。

　　RTD和熱敏電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)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(tǒng)的精度。為了測量到精確的信號，應(yīng)該使用差分輸入而不是單端輸入。差分輸入可以消除普通噪聲，而且效果不錯(cuò)，可以達(dá)到μV級的敏感度（相對于單端輸入的mV靈敏度好多了）。讓我們來看看兩種連接-ve輸入到ADC的不同模式，詳見圖4。

　　圖4：兩種不同的 -ve連接方式設(shè)計(jì)電路。

　　圖4右邊的電路設(shè)計(jì)好于左邊的。在右面的電路中，-ve直接連接到靠近分壓電阻的參考電壓。右面的電路可以幫助降低測量時(shí)的噪聲的和由于PCB布局或走線阻抗帶來的誤差等等。

　　基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)可以說是圖3和圖4的集合。現(xiàn)在，讓我們看看使用RTD的測量系統(tǒng)。金屬鉑RTD制成的溫度傳感器無論從時(shí)間和溫度上來說都是最精確、最穩(wěn)定的，所以在精確測量的應(yīng)用中使用它應(yīng)該是首選。RTD上的電壓降是可以測量的，和熱敏電阻的測量方式一樣，通常使用2線方法。連接RTD到測量系統(tǒng)時(shí)，要經(jīng)過較長的電路，如果使用電壓源作為激勵的話，電路走線電阻就成為主要的測量誤差源，圖5則給出了2線測量電路和4線測量電路設(shè)計(jì)上的區(qū)別。

　　圖5：2線連接和4線連接的測量電路設(shè)計(jì)。

　　在2線電路中，RTD的電阻（RRTD）可以按方程5測量得到。然而，如果我們看一下這個(gè)電路，還有另一個(gè)電阻Rwire，那可能會導(dǎo)致一個(gè)測量誤差。

　　（方程5） RRTD = （Rref+Rwire）*（ V2-V1）/（V-V2）

　　另一方面，在4線電路中的RTD電阻可以按照方程6計(jì)算。因?yàn)闇y量系統(tǒng)具有很高的輸入阻抗， 在測控系統(tǒng)中沒有電流，因此分壓電阻節(jié)點(diǎn)和測量系統(tǒng)間的電阻是串聯(lián)方式，不會有影響。RTD的電阻（RRTD）可按方程6推導(dǎo)出來。

　　（方程6） RRTD = Rref*（ V2-V1）/（V4-V3）

　　我們再來看一下方程5和方程6。測量的準(zhǔn)確度主要取決于Rref的精確度。為了在電壓激勵中克服這個(gè)問題，RTD使用恒流源來代替電壓源。當(dāng)使用恒流源時(shí)，穿過RTD的電壓降只取決于其電阻值和恒流源值。然而，使用恒流源勵磁時(shí)測量的準(zhǔn)確度取決于電流源的精確度。由于是進(jìn)行精密的溫度測量工作，DAC電流應(yīng)該被TIA校準(zhǔn)。圖6顯示了使用PSoC3和PSoC5器件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于RTD的溫度測量系統(tǒng)。這些器件有片上電流源，不需要額外增加模擬放大器電路。同時(shí)，這些設(shè)備有片上TIA可以用于為IDAC校準(zhǔn)。

　　圖6：基于電阻式溫度檢測器RTD的溫度測量設(shè)計(jì)電路

　　下面我們總結(jié)一下進(jìn)行精密溫度測量電路設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)：

　　1．根據(jù)應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?/p>

　　2．CDS有助于進(jìn)行準(zhǔn)確的感測器的讀數(shù)，避免偏移誤差，消除低頻噪聲。

　　3．對于熱電偶系統(tǒng)，可以用濾波器來清除噪聲。

　　4．電流勵磁系統(tǒng)可以通過消除電路中不準(zhǔn)確的參考電阻來提高準(zhǔn)確度。

　　5．如果使用電壓激勵，應(yīng)該使用4線測量系統(tǒng)。

　　6．系統(tǒng)的整體精度取決于信號鏈的準(zhǔn)確度和精率。因此，建議使用高精度高分辨率的Delta sigma 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC。

　　7．為了適應(yīng)環(huán)境的變化，而又能保證精度，建議使用基于混合信號的實(shí)現(xiàn)方式。

　　溫度傳感電路部分是許多工業(yè)系統(tǒng)或嵌入式設(shè)計(jì)的重要組成部分。我們已經(jīng)討論了在準(zhǔn)確讀取傳感器值時(shí)所面臨的各種各樣的挑戰(zhàn)，以及如何使用精確模擬技術(shù)來提高精度。這些是通用的技術(shù)，它同樣適用于其他傳感器接口電路。

　　作者： Sachin Gupta， Umanath R Kamath，

　　賽普拉斯半導(dǎo)體