如何選擇并設(shè)計(jì)理想RTD溫度檢測(cè)系統(tǒng)

簡(jiǎn)介

本系列文章分為上下兩篇。上篇首先討論基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以及它與基于電阻溫度檢測(cè)器(RTD)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的比較。文中還會(huì)簡(jiǎn)要介紹熱敏電阻選擇、配置權(quán)衡，以及Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在該應(yīng)用領(lǐng)域中的重要作用。下篇將詳細(xì)介紹如何優(yōu)化和評(píng)估基于熱敏電阻的最終測(cè)量系統(tǒng)。

熱敏電阻與RTD

正如文章“如何選擇并設(shè)計(jì)理想RTD溫度檢測(cè)系統(tǒng)”中所討論的，RTD是一種電阻值隨溫度變化的電阻器。熱敏電阻的工作方式與RTD類似。RTD僅有正溫度系數(shù)，熱敏電阻則不同，既可以有正溫度系數(shù)，也可以有負(fù)溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度升高而減小，而正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度升高而增大。圖1顯示了典型NTC和PTC熱敏電阻的響應(yīng)特性，以及它們與RTD曲線的比較。

圖1.熱敏電阻與RTD的響應(yīng)特性比較

在溫度范圍方面，RTD曲線接近線性，而熱敏電阻具有非線性（指數(shù)）特性，因此前者覆蓋的溫度范圍（通常為–200°C至+850°C）比后者要寬得多。RTD通常提供眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)化曲線，而熱敏電阻曲線則因制造商而異。ADI將在本文的“熱敏電阻選擇指南”部分詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

熱敏電阻由復(fù)合材料——通常是陶瓷、聚合物或半導(dǎo)體（通常是金屬氧化物）——制成，與由純金屬（鉑、鎳或銅）制成的RTD相比，前者要小得多且更便宜，但不如后者堅(jiān)固。熱敏電阻能夠比RTD更快地檢測(cè)溫度變化，從而提供更快的反饋。因此，熱敏電阻傳感器常用于要求低成本、小尺寸、更快響應(yīng)速度、更高靈敏度且溫度范圍受限的應(yīng)用，例如監(jiān)控電子設(shè)備、家庭和樓宇控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，或商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中的熱電偶所使用的冷端補(bǔ)償。

在大多數(shù)情況下，精密溫度測(cè)量應(yīng)用使用NTC熱敏電阻，而非PTC熱敏電阻。有一些PTC熱敏電阻被用于過(guò)流輸入保護(hù)電路，或用作安全應(yīng)用的可復(fù)位保險(xiǎn)絲。PTC熱敏電阻的電阻-溫度曲線在達(dá)到其切換點(diǎn)（或居里點(diǎn)）之前有一個(gè)非常小的NTC區(qū)域；超過(guò)切換點(diǎn)之后，在幾攝氏度的范圍內(nèi)，其電阻會(huì)急劇增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在過(guò)流情況下，PTC熱敏電阻在超過(guò)切換溫度后會(huì)產(chǎn)生大量自發(fā)熱，其電阻會(huì)急劇增加，導(dǎo)致輸入系統(tǒng)的電流減少，從而防止系統(tǒng)發(fā)生損壞。PTC熱敏電阻的切換點(diǎn)通常在60°C和120°C之間，因此它不適合用在寬溫度范圍應(yīng)用中監(jiān)控溫度測(cè)量結(jié)果。ADI將在本文重點(diǎn)介紹能夠測(cè)量或監(jiān)控-80°C至+150°C溫度范圍的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻在25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻從幾歐姆到10MΩ不等。如圖1所示，與RTD相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更為顯著。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使得其前端電路比RTD要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置（例如3線或4線）來(lái)補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡(jiǎn)單的2線配置。

表1顯示了RTD、NTC和PTC熱敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1.熱敏電阻與RTD

基于熱敏電阻的溫度測(cè)量挑戰(zhàn)

高精度的熱敏電阻溫度測(cè)量需要精密信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和補(bǔ)償，如圖2所示。盡管信號(hào)鏈看起來(lái)簡(jiǎn)單明了，但其中涉及的幾個(gè)復(fù)雜因素也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的電路板尺寸、成本和性能。ADI精密ADC產(chǎn)品組合中有幾種集成解決方案，例如AD7124-4/AD7124-8，它們能為溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)多方面好處，應(yīng)用所需的大部分構(gòu)建模塊都已內(nèi)置。但是，設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測(cè)量解決方案涉及到多種挑戰(zhàn)。

圖2.典型NTC熱敏電阻測(cè)量信號(hào)鏈模塊

挑戰(zhàn)包括：

市場(chǎng)上有各種各樣的熱敏電阻。

■如何為具體應(yīng)用選擇合適的熱敏電阻？

與RTD一樣，熱敏電阻是無(wú)源器件，自身不會(huì)產(chǎn)生電氣輸出。使用激勵(lì)電流或電壓來(lái)測(cè)量傳感器的電阻，即讓一個(gè)小電流經(jīng)過(guò)傳感器以產(chǎn)生電壓。

■如何選擇電流/電壓？

■熱敏電阻信號(hào)應(yīng)如何調(diào)理？

■如何調(diào)整上述變量，以便在規(guī)格范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建模塊？

■在一個(gè)系統(tǒng)中連接多個(gè)熱敏電阻：傳感器如何連接？不同傳感器之間是否能共享一些模塊？對(duì)系統(tǒng)整體性能有何影響？

熱敏電阻的一個(gè)主要問(wèn)題是其非線性響應(yīng)和系統(tǒng)精度。

■設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差是多少？

■使用哪些線性化和補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能？

本文將討論所有這些挑戰(zhàn)，并就如何解決這些問(wèn)題和進(jìn)一步簡(jiǎn)化此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程提供建議。

熱敏電阻選擇指南

當(dāng)今市場(chǎng)上有很多NTC熱敏電阻可供選擇，為具體應(yīng)用選擇特定的熱敏電阻可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。請(qǐng)注意，熱敏電阻按其標(biāo)稱值列出，即25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻。因此，10kΩ熱敏電阻在25°C時(shí)的標(biāo)稱電阻為10kΩ。熱敏電阻的標(biāo)稱或基本電阻值從幾歐姆到10MΩ不等。標(biāo)稱電阻較低（10kΩ或更低）的熱敏電阻，支持的溫度范圍通常也較低，例如-50°C至+70°C。標(biāo)稱電阻較高的熱敏電阻，可支持最高300°C的溫度。

熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有珠狀、徑向和SMD等形式。珠狀熱敏電阻采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層或玻璃封裝，以提供額外保護(hù)。環(huán)氧樹(shù)脂涂層珠狀熱敏電阻、徑向和SMD熱敏電阻適用于最高150°C的溫度。玻璃涂層珠狀熱敏電阻適用于高溫測(cè)量。所有類型熱敏電阻的涂層/封裝還能防止腐蝕。一些熱敏電阻還具有額外的外殼，以在惡劣環(huán)境中提供進(jìn)一步的保護(hù)。與徑向/SMD熱敏電阻相比，珠狀熱敏電阻具有更快的響應(yīng)時(shí)間。然而，后者不如前者那么穩(wěn)健。因此，使用何種熱敏電阻取決于最終應(yīng)用和熱敏電阻所處的環(huán)境。熱敏電阻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性取決于制造材料及其封裝和結(jié)構(gòu)。例如，環(huán)氧樹(shù)脂涂層的NTC熱敏電阻每年可能變化0.2°C，而密封的熱敏電阻每年僅變化0.02°C。

不同熱敏電阻有不同的精度。標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻的精度通常為0.5°C至1.5°C。熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值和β值（25°C至50°C/85°C關(guān)系）有一個(gè)容差。請(qǐng)注意，熱敏電阻的β值取決于制造商。例如，不同制造商生產(chǎn)的10kΩ NTC熱敏電阻會(huì)有不同的β值。對(duì)于較高精度的系統(tǒng)，可以使用Omega? 44xxx系列等熱敏電阻。在0°C至70°C的溫度范圍內(nèi)，其精度為0.1°C或0.2°C。因此，所測(cè)量的溫度范圍以及該溫度范圍內(nèi)所需的精度決定了一個(gè)熱敏電阻是否適合特定應(yīng)用。請(qǐng)注意，Omega 44xxx系列的精度越高，其成本也越高。

因此，使用何種熱敏電阻取決于：

被測(cè)溫度范圍

精度要求

使用熱敏電阻的環(huán)境

長(zhǎng)期穩(wěn)定性

線性化：β與Steinhart-Hart方程

為了將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度，通常使用β值。知道兩個(gè)溫度點(diǎn)以及每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻，便可確定β值。

其中：

RT1 = 溫度1時(shí)的電阻

RT2 = 溫度2時(shí)的電阻

T1 = 溫度1 (K) T2 = 溫度2 (K)

熱敏電阻的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)列出兩種情況的β值：

兩個(gè)溫度分別為25°C和50°C

兩個(gè)溫度分別為25°C和85°C

用戶使用接近設(shè)計(jì)所用溫度范圍的β值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)在列出β值的同時(shí)，還會(huì)列出25°C時(shí)的電阻容差和β值的容差。

較高精度的熱敏電阻（如Omega 44xxx系列）和較高精度的最終解決方案使用Steinhart-Hart方程將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度。公式2需要三個(gè)常數(shù)A、B和C，這些常數(shù)同樣由傳感器制造商提供。公式的系數(shù)是利用三個(gè)溫度點(diǎn)生成的，因此所得公式盡可能減少了線性化引入的誤差（線性化引起的誤差通常為0.02°C）。

其中：

A、B、C是從三個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)得出的常數(shù)。

R = 熱敏電阻的阻值，單位為Ω

T = 溫度，單位為K

電流/電壓激勵(lì)

圖3顯示了傳感器的電流激勵(lì)。將激勵(lì)電流作用于熱敏電阻，并將相同電流作用于精密電阻；精密電阻用作測(cè)量的參考。參考電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值（取決于系統(tǒng)中測(cè)量的最低溫度）。選擇激勵(lì)電流的大小時(shí)，同樣要考慮熱敏電阻的最大電阻值，以確保傳感器和參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓始終處于電子設(shè)備可接受的水平。激勵(lì)電流源需要一定的裕量或輸出順從性。如果熱敏電阻在所測(cè)量的最低溫度時(shí)具有較大電阻，則激勵(lì)電流值將非常低。因此，高溫下熱敏電阻兩端產(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，增益需要?jiǎng)討B(tài)編程，因?yàn)閬?lái)自熱敏電阻的信號(hào)電平會(huì)隨溫度發(fā)生顯著變化。

圖3.熱敏電阻的電流激勵(lì)

另一個(gè)方案是設(shè)置增益但使用動(dòng)態(tài)激勵(lì)電流。當(dāng)來(lái)自熱敏電阻的信號(hào)電平發(fā)生變化時(shí)，激勵(lì)電流值也會(huì)動(dòng)態(tài)變化，使得熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓處于電子設(shè)備的額定輸入范圍內(nèi)。用戶必須確保參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓也處于電子設(shè)備可接受的水平。這兩種方案都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測(cè)熱敏電阻兩端的電壓，以確保信號(hào)能被電子設(shè)備測(cè)量。有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的方案？下面來(lái)看看電壓激勵(lì)。

圖4.熱敏電阻的電壓激勵(lì)

當(dāng)熱敏電阻由恒定電壓激勵(lì)時(shí)，通過(guò)熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻阻值的變化而自動(dòng)縮放?，F(xiàn)在使用精密檢測(cè)電阻，而不使用參考電阻，其目的是計(jì)算流過(guò)熱敏電阻的電流，這樣就能計(jì)算出熱敏電阻的阻值。由于激勵(lì)電壓也用作ADC基準(zhǔn)電壓，因此無(wú)需增益級(jí)。處理器無(wú)需監(jiān)控?zé)崦綦娮鑳啥说碾妷?，無(wú)需確定該信號(hào)電平能否被電子設(shè)備測(cè)量，也無(wú)需計(jì)算要將增益/激勵(lì)電流調(diào)整到什么值。這是本文中使用的方法。

熱敏電阻阻值范圍/激勵(lì)

如果熱敏電阻的標(biāo)稱電阻和阻值范圍較小，那么電壓或電流激勵(lì)均可使用。在這種情況下，激勵(lì)電流和增益可以是固定值。電路將如圖3所示。這種方法很有用，因?yàn)榱鬟^(guò)傳感器和參考電阻的電流是可控的，這在低功耗應(yīng)用中很有價(jià)值。此外，熱敏電阻的自發(fā)熱也極小。

對(duì)標(biāo)稱電阻較低的熱敏電阻也可以使用電壓激勵(lì)。但是，用戶必須確保通過(guò)傳感器的電流對(duì)于傳感器本身或應(yīng)用而言任何時(shí)候都不能太大。當(dāng)使用標(biāo)稱電阻和溫度范圍均較大的熱敏電阻時(shí)，電壓激勵(lì)會(huì)使系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。較大標(biāo)稱電阻確保標(biāo)稱電流處于合理水平。但是，設(shè)計(jì)人員需要確保電流在應(yīng)用支持的整個(gè)溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

Σ-Δ ADC在基于熱敏電阻的應(yīng)用中的重要作用

當(dāng)設(shè)計(jì)熱敏電阻測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，Σ-Δ ADC能提供多方面優(yōu)勢(shì)。首先，Σ-Δ型ADC能夠?qū)?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬輸入過(guò)采樣，從而盡可能地減少外部濾波，只需要簡(jiǎn)單的RC濾波器。另外，它們支持靈活地選擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率。在采用市電供電的設(shè)計(jì)中，內(nèi)置數(shù)字濾波可用來(lái)抑制交流電源的干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率21.7位（最大值），因此它們能提供高分辨率。

其他優(yōu)點(diǎn)包括：

寬共模范圍的模擬輸入

寬共模范圍的基準(zhǔn)輸入

能夠支持比率式配置

有些Σ-Δ型ADC集成了很多功能，包括：

PGA

內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源/模擬輸入緩沖器

校準(zhǔn)功能

使用Σ-Δ ADC可大幅簡(jiǎn)化熱敏電阻設(shè)計(jì)，減少BOM，降低系統(tǒng)成本，縮小電路板空間，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

本文將AD7124-4/AD7124-8用作ADC，它們是集成PGA、嵌入式基準(zhǔn)電壓源、模擬輸入和基準(zhǔn)電壓緩沖器的低噪聲、低電流精密ADC。

熱敏電阻電路配置——比率式配置

無(wú)論使用激勵(lì)電流還是激勵(lì)電壓，都建議使用比率式配置，其中基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓是從同一激勵(lì)源獲得。這意味著激勵(lì)源的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量的精度。

圖5.恒流源配置

圖5顯示，恒定激勵(lì)電流為熱敏電阻和精密電阻RREF供電，RREF上產(chǎn)生的電壓就是熱敏電阻測(cè)量的基準(zhǔn)電壓。激勵(lì)電流不需要非常準(zhǔn)確，穩(wěn)定性不需要太高，因?yàn)樵诖伺渲弥?，激?lì)電流的任何誤差都會(huì)被抵消。激勵(lì)電流通常比電壓激勵(lì)更受歡迎，原因是它能出色地控制靈敏度，而且當(dāng)傳感器位于遠(yuǎn)程地點(diǎn)時(shí)，它具有更好的抗擾度。這種類型的偏置技術(shù)常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。但是，對(duì)于電阻值較大且靈敏度較高的熱敏電阻，溫度變化所產(chǎn)生的信號(hào)電平會(huì)較大，因此應(yīng)使用電壓激勵(lì)。例如，一個(gè)10kΩ熱敏電阻在25°C時(shí)的阻值為10kΩ，而在?50°C時(shí)，NTC熱敏電阻的阻值為441.117kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的50μA最小激勵(lì)電流可產(chǎn)生的電壓為441.117kΩ × 50μA = 22V，此電壓過(guò)高，超出了該應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大多數(shù)ADC的工作范圍。熱敏電阻通常還連接到電子設(shè)備或位于電子設(shè)備附近，因此不需要激勵(lì)電流的抗噪優(yōu)勢(shì)。

圖6.分壓電路配置

圖6顯示了用于在NTC熱敏電阻兩端產(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)檢測(cè)電阻，會(huì)限制熱敏電阻在最小電阻值時(shí)流經(jīng)其中的電流。在此配置中，在25°C的基本溫度時(shí)，檢測(cè)電阻RSENSE的值必須等于熱敏電阻的電阻值，以便將它處于25°C標(biāo)稱溫度時(shí)的輸出電壓設(shè)置為基準(zhǔn)電壓的中間值。同樣，如果使用25°C時(shí)阻值為10kΩ的10kΩ熱敏電阻，則RSENSE必須等于10kΩ。當(dāng)溫度改變時(shí)，NTC熱敏電阻的阻值也會(huì)改變，熱敏電阻兩端的激勵(lì)電壓的一小部分也發(fā)生改變，從而產(chǎn)生與成NTC熱敏電阻阻值比例的輸出電壓。

圖7.熱敏電阻比率式配置測(cè)量

如果選擇用來(lái)為熱敏電阻和/或RSENSE供電的基準(zhǔn)電壓與用于測(cè)量的ADC基準(zhǔn)電壓相同，則系統(tǒng)就是比率式測(cè)量配置（圖7），任何與激勵(lì)電壓源相關(guān)的誤差都會(huì)被消除。

請(qǐng)注意，檢測(cè)電阻（電壓激勵(lì)）或參考電阻（電流激勵(lì)）的初始容差和漂移必須很低，因?yàn)檫@兩個(gè)變量均會(huì)影響系統(tǒng)總體精度。

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。但是，每個(gè)熱敏電阻必須有自己的精密檢測(cè)電阻，如圖8所示。另一個(gè)方案是使用低導(dǎo)通電阻的外部多路復(fù)用器或開(kāi)關(guān)，從而支持共享單個(gè)精密檢測(cè)電阻。采用這種配置時(shí)，每個(gè)熱敏電阻在測(cè)量時(shí)都需要一定的建立時(shí)間。

圖8.多個(gè)熱敏電阻的模擬輸入配置測(cè)量

總之，設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)注多個(gè)方面：傳感器選擇，傳感器連接，元器件選擇的權(quán)衡，ADC配置，以及這些不同變量如何影響系統(tǒng)整體精度。本系列的下一篇文章將解釋如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整體系統(tǒng)誤差預(yù)算以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。