【導(dǎo)讀】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(cè)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(hào)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(cè)量溫度數(shù)值。
在大多數(shù)的工業(yè)用測(cè)量控制監(jiān)測(cè)體系中，溫度測(cè)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(jiàn)的傳感器可以用于測(cè)量絕對(duì)溫度或者溫度變化，例如是電阻式的溫度檢測(cè)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(cè)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(hào)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(cè)量溫度數(shù)值。
在我們介紹溫度測(cè)量系統(tǒng)之前，我們先來(lái)看看常見(jiàn)的傳統(tǒng)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(dòng)勢(shì)）。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(cè)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(dòng)勢(shì)。這種電動(dòng)勢(shì)可以用測(cè)量電路測(cè)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(duì)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(cè)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(lái)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(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(shì)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(cè)傳感器設(shè)計(jì)電路
電阻式溫度檢測(cè)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(cè)金屬電阻的變化，從而得到溫度測(cè)量數(shù)值。金屬的電阻是和它自己的長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。這些電阻式溫度檢測(cè)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(cè)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(shì)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(lái)減少非線性問(wèn)題帶來(lái)的精度影響范圍。如果需要測(cè)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(cè)量設(shè)備。
溫度測(cè)量系統(tǒng)
在溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器必須把溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)階段（信號(hào)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(lái)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(lái)存儲(chǔ)測(cè)量值或者進(jìn)行必要的顯示。圖2顯示了溫度測(cè)量系統(tǒng)的基本框圖。
圖2：溫度測(cè)量系統(tǒng)框圖。
盡管圖2顯示在ADC之前進(jìn)行了信號(hào)處理，是否有需要在信號(hào)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(lái)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(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(tǒng)控制器傳輸這種溫度數(shù)據(jù)。
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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(shì)造成的。它的基本原理是通過(guò)測(cè)量接合點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)來(lái)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(cè)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(cè)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(lái)測(cè)量冷端的溫度。冷端的溫度測(cè)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(cè)量CJC電壓、先要找冷端溫度，然后檢查熱電偶電動(dòng)勢(shì)來(lái)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(dòng)勢(shì)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(hào)傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)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(cè)量中，應(yīng)該去除這類噪聲和偏移。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(hào)處理階段減少低頻噪聲和偏移。首先，測(cè)量零參考偏移（兩個(gè)輸入都短路就可以測(cè)量到），然后測(cè)量熱電偶電壓。當(dāng)直接用熱電偶信號(hào)測(cè)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(shù)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(shù)值和目前零參考測(cè)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(cè)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?，所以需要被去除。從?dāng)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(shù)字轉(zhuǎn)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(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(guò)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(hào)控制器都可配置數(shù)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(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(cè)系統(tǒng)，它使用了賽普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件來(lái)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(lái)放大信號(hào)，內(nèi)置了數(shù)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(cè)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(guò)一個(gè)放大器來(lái)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(cè)量系統(tǒng)電路。
在圖3的系統(tǒng)中，模擬MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用來(lái)把傳感器正端和負(fù)端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正輸入來(lái)實(shí)施相關(guān)雙抽樣?，F(xiàn)在的問(wèn)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(duì)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(huì)幫助消除整個(gè)模擬信號(hào)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(wèn)（DMA）讀取ADC值并寫(xiě)入數(shù)字濾波模塊（DFB）來(lái)過(guò)濾噪聲。
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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(cè)器（RTD）和熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)需要測(cè)量電阻，所以測(cè)量的方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的精度。為了測(cè)量到精確的信號(hào)，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(jí)的敏感度（相對(duì)于單端輸入的mV靈敏度好多了）。讓我們來(lái)看看兩種連接-ve輸入到ADC的不同模式，詳見(jiàn)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(cè)量時(shí)的噪聲的和由于PCB布局或走線阻抗帶來(lái)的誤差等等。
基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)可以說(shuō)是圖3和圖4的集合?，F(xiàn)在，讓我們看看使用RTD的測(cè)量系統(tǒng)。金屬鉑RTD制成的溫度傳感器無(wú)論從時(shí)間和溫度上來(lái)說(shuō)都是最精確、最穩(wěn)定的，所以在精確測(cè)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(cè)量的，和熱敏電阻的測(cè)量方式一樣，通常使用2線方法。連接RTD到測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的電路，如果使用電壓源作為激勵(lì)的話，電路走線電阻就成為主要的測(cè)量誤差源，圖5則給出了2線測(cè)量電路和4線測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)導(dǎo)致一個(gè)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)具有很高的輸入阻抗， 在測(cè)控系統(tǒng)中沒(méi)有電流，因此分壓電阻節(jié)點(diǎn)和測(cè)量系統(tǒng)間的電阻是串聯(lián)方式，不會(huì)有影響。RTD的電阻（RRTD）可按方程6推導(dǎo)出來(lái)。
（方程6） RRTD = Rref*（ V2-V1）/（V4-V3）
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我們?cè)賮?lái)看一下方程5和方程6。測(cè)量的準(zhǔn)確度主要取決于Rref的精確度。為了在電壓激勵(lì)中克服這個(gè)問(wèn)題，RTD使用恒流源來(lái)代替電壓源。當(dāng)使用恒流源時(shí)，穿過(guò)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(lì)磁時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器RTD的溫度測(cè)量設(shè)計(jì)電路
下面我們總結(jié)一下進(jìn)行精密溫度測(cè)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?/div>
2．CDS有助于進(jìn)行準(zhǔn)確的感測(cè)器的讀數(shù)，避免偏移誤差，消除低頻噪聲。
3．對(duì)于熱電偶系統(tǒng)，可以用濾波器來(lái)清除噪聲。
4．電流勵(lì)磁系統(tǒng)可以通過(guò)消除電路中不準(zhǔn)確的參考電阻來(lái)提高準(zhǔn)確度。
5．如果使用電壓激勵(lì)，應(yīng)該使用4線測(cè)量系統(tǒng)。
6．系統(tǒng)的整體精度取決于信號(hào)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(hào)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(lái)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。
