基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

NTC熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。我們經(jīng)?？梢栽跍y(cè)溫電路中看到他們的身影。本文將介紹NTC熱敏電阻測(cè)溫設(shè)計(jì)中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包括NTC選擇、ADC選擇與配置，以及如何使用NTC熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫。

下面是典型的NTC熱敏電阻測(cè)溫電路拓?fù)鋱D

圖1：典型的NTC熱敏電阻測(cè)溫電路拓?fù)鋱D(圖片來源：ADI)

激勵(lì)電流源/電壓源

兩種常見的激勵(lì)方式包括電流源與電壓源，兩者的特性比較如下：

激勵(lì)電流源激勵(lì)電壓源

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

激勵(lì)電流IOUT恒定不變電壓VREF恒定不變

特點(diǎn)更好的抗干擾能力

適合NTC熱敏電阻遠(yuǎn)離主電路的應(yīng)用

通常用于電阻值較低的熱敏電阻不用擔(dān)心熱敏電阻電壓超過ADC輸入電壓范圍

適合NTC熱敏電阻靠近主電路的應(yīng)用

通常用于電阻值更高、靈敏度更高的熱敏電阻

NTC熱敏電阻阻值的選擇

對(duì)于電流激勵(lì)來說，一般情況下，參考電阻阻值應(yīng)大于等于NTC熱敏電阻最高阻值。而熱敏電阻的最高阻值取決于系統(tǒng)中測(cè)量的最低溫度。這么做的好處是，確保了傳感器和參考電阻之間產(chǎn)生的電壓始終在后續(xù)電路的采集范圍內(nèi)。 對(duì)于電壓激勵(lì)來說，標(biāo)稱電阻低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵(lì)。然而，用戶必須確保通過傳感器的電流在任何時(shí)候?qū)鞲衅鞅旧砘驊?yīng)用而言都不會(huì)太大。

當(dāng)使用標(biāo)稱電阻大、溫度范圍大的熱敏電阻時(shí)，電壓激勵(lì)更容易實(shí)現(xiàn)。較大的標(biāo)稱電阻確保標(biāo)稱電流處于合理水平。然而，設(shè)計(jì)者需要確保電流在應(yīng)用支持的整個(gè)溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

可編程增益級(jí)vs.動(dòng)態(tài)激勵(lì)電流

熱敏電阻在低溫度下具有較大的電阻，則會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)電流值非常低, 而在高溫下通過熱敏電阻產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號(hào)的測(cè)量，可以使用可編程增益級(jí)。然而，當(dāng)熱敏電阻的信號(hào)電平隨溫度顯著變化時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)編程增益。 另一種方法是，增益固定不變，但使用動(dòng)態(tài)激勵(lì)電流。隨著熱敏電阻信號(hào)電平的變化，激勵(lì)電流值會(huì)動(dòng)態(tài)變化，從而使熱敏電阻上產(chǎn)生的電壓在電子設(shè)備的指定輸入范圍內(nèi)。

模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC選擇

“可編程增益級(jí)”還是“動(dòng)態(tài)激勵(lì)電流”，這兩種選擇都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測(cè)熱敏電阻上的電壓，以確保電子設(shè)備可以測(cè)量信號(hào)。

可以使用一些專用ADC芯片來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，如ADI的AD712424位Σ-Δ型ADC。由于應(yīng)用程序中所需的大多數(shù)模塊都是內(nèi)置的，因此在設(shè)計(jì)溫度系統(tǒng)時(shí)，有很多優(yōu)勢(shì)。

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Σ-Δ型ADC在設(shè)計(jì)熱敏電阻測(cè)量系統(tǒng)時(shí)具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，Σ-Δ型ADC對(duì)模擬輸入進(jìn)行過采樣，因此可以簡(jiǎn)化外部濾波電路設(shè)計(jì)，僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器即可。這在濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率的選擇方面提供了靈活性。內(nèi)置數(shù)字濾波有助于在電源操作設(shè)計(jì)中抑制來自電源的任何干擾。24位器件(如AD7124-4/AD7124-8)的最大峰間分辨率為21.7位，因此它們可提供高分辨率。除此之外，還具有以下特性：

模擬輸入的寬共模范圍

參考輸入的寬共模范圍

支持比率配置的能力

一些Σ-Δ型ADC還高度集成各種功能，包括集成PGA，內(nèi)部參考，參考/模擬輸入緩沖器，如AD7124-4/AD7124-8。 與AD7124配套的開發(fā)板如下，大家可以根據(jù)設(shè)計(jì)開發(fā)需要進(jìn)行選擇。

EVAL-AD7124-4SDZEVAL-AD7124-8SDZ

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D7124-4 series 24 位 19.2k 采樣率

4個(gè)差分/7個(gè)偽差分輸入AD7124-8 series 24 位 19.2k 采樣率

8個(gè)差分/15個(gè)偽差分輸入

熱敏電阻電路配置比率配置

無論使用激勵(lì)電流還是激勵(lì)電壓，建議使用比例配置，其中參考電壓和傳感器電壓來自同一激勵(lì)源。這意味著激勵(lì)源的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

配置激勵(lì)電流源

下圖顯示了為熱敏電阻和精密電阻RREF供電的恒定激勵(lì)電流，通過RREF產(chǎn)生的電壓為熱敏電阻測(cè)量的參考電壓。激勵(lì)電流不需要精確，并且可能不太穩(wěn)定，因?yàn)樵诒嚷逝渲弥屑?lì)電流中的任何錯(cuò)誤都將被取消。

圖3：配置激勵(lì)電流源(圖片來源：ADI)

當(dāng)傳感器離主電路很遠(yuǎn)時(shí)，由于激勵(lì)電流源對(duì)靈敏度的優(yōu)秀控制能力和更好的抗噪性，通常是首選。這種偏置技術(shù)通常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。

例如，25°C時(shí)10k?熱敏電阻的電阻為10 k?。-50°C時(shí)，NTC熱敏電阻電阻為441.117k?。AD7124提供的最小激勵(lì)電流為50μA，產(chǎn)生的電壓441.117k? × 50μA = 22 V，太高，超出了此應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大多數(shù)可用ADC的工作范圍。熱敏電阻通常也離主電路比較近，因此不需要激勵(lì)電流的抗噪優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于電阻值更高、靈敏度更高的熱敏電阻，每次溫度變化產(chǎn)生的信號(hào)電平將更大，因此使用電壓激勵(lì)更合適。

配置激勵(lì)電壓源

下圖顯示了用于在NTC熱敏電阻上產(chǎn)生電壓的恒定激勵(lì)電壓。以分壓器電路的形式添加一個(gè)串聯(lián)的電流傳感器，將使流過熱敏電阻的電流限制在其最小電阻值。在這種配置中，感測(cè)電阻RSENSE的值可以設(shè)置成等于熱敏電阻在25°C基準(zhǔn)溫度下的電阻大小，以便當(dāng)其在25°C標(biāo)稱溫度下時(shí)，輸出電壓將設(shè)置為參考電壓的中間值。

圖4：配置激勵(lì)電壓源(圖片來源：ADI)

同樣，25°C時(shí)熱敏電阻阻值為10k?，RSENSE也為10k?。當(dāng)溫度變化時(shí)，NTC熱敏電阻的電阻也會(huì)變化，熱敏電阻上的激勵(lì)電壓分量也會(huì)變化，從而產(chǎn)生與NTC熱敏電阻電阻成比例的輸出電壓。

如下圖，當(dāng)提供熱敏電阻和RSENSE的激勵(lì)電壓VREF與用于測(cè)量的ADC參考電壓相同，則系統(tǒng)可以配置為比率測(cè)量，以便消除與激勵(lì)電壓源相關(guān)的任何誤差。

圖5：熱敏電阻比率配置(圖片來源：ADI)

注意，電流傳感器(電壓激勵(lì))或參考電阻(電流激勵(lì))需要具有低初始容差和低漂移，因?yàn)檫@兩個(gè)變量都有助于提高整體系統(tǒng)的精度。

使用多個(gè)熱敏電阻

當(dāng)使用多個(gè)熱敏電阻時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電壓。

圖6：多個(gè)熱敏電阻的模擬輸入配置測(cè)量(圖片來源：ADI)

然而，每個(gè)熱敏電阻必須有自己的精密參考電阻，如上圖所示，另一種選擇是使用外部多路復(fù)用器或具有低導(dǎo)通電阻的開關(guān)，這允許共享單個(gè)精密感測(cè)電阻。當(dāng)使用這種配置時(shí)，每個(gè)熱敏電阻在測(cè)量中都需要一些穩(wěn)定時(shí)間。

更多NTC相關(guān)內(nèi)容

以下是一些有關(guān)NTC的實(shí)用技術(shù)資料，可供大家參考。

都是熱敏電阻器, PTC和NTC的區(qū)別你真的知道嗎?

NTC (負(fù)溫度系數(shù)) 熱敏電阻器

無功耗電阻

其電阻隨溫度上升而減少PTC (正溫度系數(shù)) 熱敏電阻器

無功耗電阻

其電阻隨溫度上升而增加

貼片NTC熱敏電阻常見問題解答

什么是熱時(shí)間常數(shù)?什么是 B 常數(shù)?

熱敏電阻溫度改變其溫差(從環(huán)境溫度T0(°C)到T1(°C)，通常以63.2%的變化率為標(biāo)準(zhǔn))的時(shí)間。B常數(shù)表示熱敏電阻對(duì)溫度變化的敏感度(以電阻的變化率表示)。變化率也可以用一條線的傾斜度來表示。傾斜度越大，敏感度越高。

這表明常數(shù)τ(秒)被定義為熱敏電阻達(dá)到其初始和最終體溫之總差的63.2%所用的時(shí)間。

根據(jù)以下方程，可使用在兩個(gè)指定環(huán)境溫度下的電阻值來計(jì)算該常數(shù)。 B=ln (R/R0) / (1/T-1/T0) R：環(huán)境溫度為T(K)時(shí)的電阻值; R0：環(huán)境溫度為T0(K)時(shí)的電阻值

測(cè)量NTC熱敏電阻的精確值

在測(cè)量NTC熱敏電阻的值時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度的精確控制顯得尤為重要。以下注意事項(xiàng)也許對(duì)你有所幫助。

測(cè)量過程中切勿觸摸組件和電路板，因?yàn)槟愕捏w溫會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。應(yīng)盡量避免對(duì)著組件呼吸，并限制組件附近的空氣流動(dòng)。

NTC熱敏電阻應(yīng)放置在測(cè)量區(qū)域附近。如果溫度計(jì)與測(cè)量區(qū)域的距離較遠(yuǎn)，則測(cè)量區(qū)域的溫度可能與溫度計(jì)的溫度不同。

請(qǐng)參考電阻與溫度表，并注意測(cè)量溫度的具體值。

由于在空氣中進(jìn)行高精度測(cè)量非常困難，村田(Murata)建議在液池中測(cè)量電阻值，這樣可確保較高的精確度。

本文小結(jié)

在設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，有多個(gè)需要考慮的問題，如：NTC熱敏電阻選擇、采用電流激勵(lì)還是電壓激勵(lì)、ADC如何配置，以及這些不同變量如何影響整體系統(tǒng)精度。仔細(xì)考慮才能讓開發(fā)工作事半功倍。

審核編輯：湯梓紅