作者: Michael Mayes 凌力爾特公司混合信號產(chǎn)品設(shè)計(jì)部負(fù)責(zé)人

關(guān)鍵字：熱電偶 測量RTD溫度 熱敏電阻器 二極管 溫度傳感器

溫度，所有人都很熟悉，但卻難以準(zhǔn)確測量。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品時(shí)代到來之前，伽利略(Galileo)發(fā)明了能夠檢測溫度變化的基本溫度計(jì)。兩百年后，席貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)了熱電偶，這種器件能夠產(chǎn)生以不同金屬的溫度變化率為函數(shù)的電壓。如今，利用熱電偶以及受溫度影響的電阻元件(RTD和熱敏電阻器)和半導(dǎo)體元件(二極管)以電子方式測量溫度已較普遍。盡管從這些組件獲取溫度的方法已為大家熟知，但是以好于0.5℃或0.1℃的準(zhǔn)確度測量溫度依然富有挑戰(zhàn)性。

要數(shù)字化這些基本傳感器元件， 就需要專門的模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)和固件開發(fā)技術(shù)。LTC2983將這些專門技術(shù)整合到單一IC中，解決了與熱電偶、RTD、熱敏電阻器以及二極管有關(guān)的每一種獨(dú)特挑戰(zhàn)。該器件整合了每種類型傳感器所必需的模擬電路和溫度測量算法以及線性化數(shù)據(jù)，以直接測量每種傳感器，并以℃為單位輸出測量結(jié)果。

熱電偶概述

熱電偶產(chǎn)生的電壓是熱電偶尖頭(熱電偶溫度)和電路板上電氣連接點(diǎn)(冷接點(diǎn)溫度)之間溫差的函數(shù)。為了確定熱電偶溫度，需要準(zhǔn)確測量冷接點(diǎn)溫度，這種方法即大家熟知的冷接點(diǎn)補(bǔ)償。冷接點(diǎn)溫度通常由單獨(dú)放置在冷接點(diǎn)處的溫度傳感器(非熱電偶)確定。LTC2983允許二極管、RTD和熱敏電阻器作為冷接點(diǎn)傳感器使用。為了將來自熱電偶的電壓輸出轉(zhuǎn)換成溫度，必須求解(利用表或數(shù)學(xué)函數(shù))高階多項(xiàng)式( 高達(dá)14 階) 以得到被測電壓和冷接點(diǎn)溫度。LTC2983內(nèi)置了用于所有8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(J、K、N、T、R、S、T和B)的多項(xiàng)式，以及用于定制熱電偶的用戶設(shè)定表數(shù)據(jù)。LTC2983同時(shí)測量熱電偶輸出和冷接點(diǎn)溫度，并執(zhí)行所有必需的計(jì)算，然后以℃為單位報(bào)告熱電偶溫度。

熱電偶：重要的是什么?

熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓很低( 滿標(biāo)度時(shí)< 100 m V)。由于ADC存在偏移和噪聲，所以所測量電壓值必須很低。此外，該電壓是絕對電壓讀數(shù)，需要準(zhǔn)確/低漂移基準(zhǔn)電壓。LTC2983含有一個(gè)低噪聲、偏移連續(xù)校準(zhǔn)的24位增量累加ADC(偏移和噪聲<1μV)，并具備最大值為10ppm/℃的基準(zhǔn)。

當(dāng)熱電偶尖頭裸露于低于冷接點(diǎn)溫度的環(huán)境時(shí)，熱電偶的輸出電壓還能夠低于地。這迫使系統(tǒng)增加第二個(gè)負(fù)電源或者輸入電平移位電路，因此使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。LTC2983納入了一個(gè)專有前端，能夠用以地為基準(zhǔn)的單一電源對信號進(jìn)行數(shù)字化。

除了提供很高的測量準(zhǔn)確度，熱電偶電路還必須采用噪聲抑制、輸入保護(hù)和抗混疊濾波。LTC2983的輸入阻抗很高，最大輸入電流低于1nA。該器件可以采用外部保護(hù)電阻器和濾波電容器，而不會引入額外誤差。LTC2983包含一個(gè)內(nèi)置數(shù)字濾波器和對50Hz及60Hz的75dB抑制。

故障檢測是很多熱電偶測量系統(tǒng)的重要功能。最常見的故障是開路(熱電偶損壞或未插入)。過去，在熱電偶輸入端加上電流源或上拉電阻器以檢測這類故障。這種方式的問題是，這些感應(yīng)信號導(dǎo)致誤差和噪聲，并與輸入保護(hù)電路相互作用。LTC2983包括一個(gè)獨(dú)特的開路檢測電路，該電路可在測量周期開始前一刻檢查熱電偶是否損壞。在這種情況下，開路激勵電流/電阻器不干擾測量準(zhǔn)確度。LTC2983還報(bào)告與冷接點(diǎn)傳感器有關(guān)的故障。該器件還檢測、報(bào)告靜電放電(ESD)事件，并能夠從這類事件中恢復(fù)，當(dāng)在工業(yè)環(huán)境中使用較長的傳感器連線時(shí)，有可能發(fā)生這類事件。LTC2983還通過其故障報(bào)告指示所測溫度是否高于/低于特定熱電偶預(yù)期的溫度范圍。

二極管概述

二極管是可用作溫度傳感器的低價(jià)半導(dǎo)體器件。這類器件一般用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。當(dāng)給二極管加上激勵電流時(shí)，二極管產(chǎn)生的電壓是溫度以及所加電流的函數(shù)。如果將兩個(gè)完美匹配、已知比率的激勵電流源加到二極管上，那么輸出就是可知與溫度成比例(PTAT)的電壓。

二極管：重要的是什么?

為了產(chǎn)生具備已知比例的PTAT電壓，需要兩個(gè)高度匹配、成比例的電流源。LTC2983依靠增量累加過采樣架構(gòu)準(zhǔn)確地產(chǎn)生這一比率。連接到該ADC的二極管和引線含有未知的寄生二極管效應(yīng)。LTC2983提供3電流測量模式，消除了寄生引線電阻。不同二極管制造商規(guī)定了不同的二極管非理想系數(shù)。LTC2983允許單獨(dú)設(shè)定每個(gè)二極管的非理想系數(shù)。因?yàn)闇y量的是絕對電壓，ADC基準(zhǔn)電壓的值和漂移都很關(guān)鍵。LTC2983包含在工廠中微調(diào)過最大值為10ppm/℃的基準(zhǔn)。

LTC2983自動產(chǎn)生成比例的電流、測量所產(chǎn)生的二極管電壓、利用所設(shè)定的非理想性數(shù)據(jù)計(jì)算溫度并以℃為單位輸出結(jié)果。該器件還可以用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。如果二極管損壞、短路或插入不正確，那么如果用LTC2983測量冷接點(diǎn)溫度，LTC2983就會檢測這種故障，并在轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出字以及相應(yīng)的熱電偶測量結(jié)果中報(bào)告該故障。

RTD概述

RTD是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。為了測量一個(gè)RTD，將一個(gè)準(zhǔn)確已知的低漂移檢測電阻器串聯(lián)連接至該RTD。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵電流并進(jìn)行比例式測量。RTD的電阻值以歐姆為單位，可根據(jù)這一比率確定。然后通過查表，用這個(gè)電阻值確定傳感器元件的溫度。LTC2983自動產(chǎn)生激勵電流，同時(shí)測量檢測電阻器和RT D電壓，計(jì)算傳感器電阻，并以℃為單位報(bào)告結(jié)果。RT D可以在很寬的溫度范圍內(nèi)測量溫度，從低至200℃到高達(dá)850℃。LTC2983可數(shù)字化大多數(shù)類型的RTD(PT-10、PT-50、PT-100、PT-200、PT-500、PT-1000和NI-120)，針對很多標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置了系數(shù)(美國、歐洲、日本和ITS-90標(biāo)準(zhǔn))，并面向定制RTD提供用戶設(shè)定的表數(shù)據(jù)。

RTD：重要的是什么?

典型PT100 RTD的電阻值在溫度每變化1/10℃時(shí)變化不到0.04Ω，在100μA電流激勵時(shí)對應(yīng)4μV信號電平。低ADC偏移和噪聲對于準(zhǔn)確測量至關(guān)重要。測量相對于檢測電阻器而言是比例式的，不過在計(jì)算溫度時(shí)，激勵電流和基準(zhǔn)電壓的絕對值不那么重要。

以前，RTD和檢測電阻器之間的比例式測量是用單個(gè)ADC執(zhí)行的。檢測電阻器的壓降用作測量RTD壓降的ADC之基準(zhǔn)輸入。這種架構(gòu)需要10 kΩ或更大的檢測電阻器，因此需要緩沖，以防止由ADC基準(zhǔn)輸入動態(tài)電流導(dǎo)致的壓降。既然檢測電阻器的值至關(guān)重要，那么緩沖器就必須是低偏移、低漂移和低噪聲的。這種架構(gòu)使電流源難以輪換，以消除寄生熱電偶效應(yīng)。增量累加ADC的基準(zhǔn)輸入更易于受到噪聲而不是輸入的影響，而且低基準(zhǔn)電壓值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。LTC2983的多ADC架構(gòu)解決了所有這些問題(參見圖1)。LTC2983運(yùn)用了兩個(gè)高度匹配、有緩沖和自動校準(zhǔn)的ADC，一個(gè)用于RTD，另一個(gè)用于檢測電阻器。這些ADC同時(shí)測量RTD和R_sense，計(jì)算RTD電阻，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)查一個(gè)基于ROM的表，最終以℃為單位輸出RTD溫度。

圖1：用LTC2983測量RTD溫度。

RTD有很多種配置：2線、3線和4線。LTC2983以可配置的單一硬件解決方案提供所有3種配置。該器件可在多個(gè)RTD之間共享單一檢測電阻器。其高阻抗輸入允許在RTD和ADC輸入之間接入外部保護(hù)電路，而不會引入誤差。該器件還可以自動輪換電流激勵，以消除外部熱誤差(寄生熱電偶)。在檢測電阻器的寄生引線電阻降低性能的情況下，LTC2983允許用R_sense進(jìn)行開爾文檢測。

LTC2983包括故障檢測電路。該器件可以確定，檢測電阻器或RTD是否損壞或短路。如果所測溫度高于或低于RTD規(guī)定的最高或最低溫度，LTC2983就發(fā)出警告。當(dāng)RTD用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器時(shí)，3個(gè)ADC同時(shí)測量熱電偶、檢測電阻器和RTD。RTD故障信息傳遞到熱電偶測量結(jié)果中，同時(shí)RTD溫度自動地用來補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

熱敏電阻器概述

熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。與RT D不同，熱敏電阻器的電阻值在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個(gè)量級。為了測量熱敏電阻器，要給傳感器串聯(lián)連接一個(gè)檢測電阻器。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵電流，并進(jìn)行比例式測量。熱敏電阻器的電阻值以歐姆為單位，可以根據(jù)這個(gè)比率確定。這個(gè)電阻值用來確定傳感器的溫度，進(jìn)而求解Steinhart-Hart方程或查詢表數(shù)據(jù)。LTC2983自動地產(chǎn)生激勵電流，同時(shí)測量檢測電阻器和熱敏電阻器電壓，計(jì)算熱敏電阻器的電阻，并以℃為單位報(bào)告結(jié)果。熱敏電阻器一般在-40℃～150℃工作。LTC2983包含計(jì)算2.252kΩ、3kΩ、5kΩ、10kΩ和30kΩ標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器溫度所需的系數(shù)。因?yàn)橛卸喾N類型和電阻值的熱敏電阻器，所以LTC2983可用定制熱敏電阻器表數(shù)據(jù)(R和T)或Steinhart-Hart系數(shù)來設(shè)定。

熱敏電阻器：重要的是什么?

熱敏電阻器的電阻值在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個(gè)量級。例如，一個(gè)在室溫時(shí)10kΩ的熱敏電阻器在最高溫度時(shí)可能低至100Ω，而在最低溫度時(shí)可能>300kΩ，而其他熱敏電阻器標(biāo)準(zhǔn)可能達(dá)至1MΩ以上。

典型情況下，為了適應(yīng)大阻值電阻，會使用電流非常小的激勵電流源和阻值較大的檢測電阻器。這導(dǎo)致在熱敏電阻器阻值范圍的低端，信號電平非常低。需要輸入緩沖器和基準(zhǔn)緩沖器隔離ADC的動態(tài)輸入電流和這些較大的電阻器。但是如果沒有單獨(dú)的電源，緩沖器在靠近地時(shí)工作不是很好，而且需要最大限度減小偏移/噪聲誤差。LTC2983解決了所有這些問題(參見圖2)。該器件整合了一個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的專有緩沖器和多ADC架構(gòu)，該緩沖器能夠在地電平甚至在低于地電平時(shí)對信號進(jìn)行數(shù)字化。兩個(gè)匹配的緩沖ADC同時(shí)測量熱敏電阻器和檢測電阻器，計(jì)算(基于標(biāo)準(zhǔn))熱敏電阻器的溫度，并以℃為單位報(bào)告結(jié)果。不需要大阻值檢測電阻器，從而允許多個(gè)RTD和不同類型的熱敏電阻器共用單一檢測電阻器。LTC2983還可以視熱敏電阻器輸出電阻的不同，而自動設(shè)定不同的激勵電流范圍。

圖2：用LTC2983測量熱敏電阻器溫度。

LTC2983包括故障檢測電路。該器件可確定，檢測電阻器或熱敏電阻器是否損壞/短路。如果所測溫度高于或低于熱敏電阻器規(guī)定的最大值或最小值，LTC2983就發(fā)出警報(bào)。熱敏電阻器可用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。在這種情況下，3個(gè)ADC同時(shí)測量熱電偶、檢測電阻器和熱敏電阻器。熱敏電阻器故障信息被傳遞到熱電偶測量結(jié)果中，熱敏電阻器溫度自動用于補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

通用測量系統(tǒng)

LTC2983可配置為通用溫度測量電路(參見圖3)?？山o單個(gè)LTC2983加上多達(dá)4組通用輸入。每一組輸入都可以直接用來數(shù)字化3線RTD、4線RTD、熱敏電阻器或熱電偶，而無需更改任何內(nèi)置硬件。每個(gè)傳感器都可以使用同樣的4個(gè)ADC輸入及保護(hù)/濾波電路，并可用軟件配置。所有4組傳感器都可以共用一個(gè)檢測電阻器，同時(shí)用一個(gè)二極管測量冷接點(diǎn)補(bǔ)償。LTC2983的輸入結(jié)構(gòu)允許任何傳感器連接到任何通道上。在LTC2983的任一和所有21個(gè)模擬輸入上，可以加上RTD、檢測電阻器、熱敏電阻器、熱電偶、二極管和冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)娜我饨M合。

圖3：通用溫度測量系統(tǒng)

結(jié)論

LTC2983是開創(chuàng)性的高性能溫度測量系統(tǒng)。該器件能夠以實(shí)驗(yàn)室級精確度直接數(shù)字化熱電偶、RTD、熱敏電阻器和二極管。LTC2983整合了3個(gè)24位增量累加ADC和一個(gè)專有前端，以解決與溫度測量有關(guān)的很多典型問題。高輸入阻抗以及在零點(diǎn)輸入范圍允許直接數(shù)字化所有溫度傳感器，并易于進(jìn)行輸入預(yù)測。20 個(gè)靈活的模擬輸入使得能夠通過一個(gè)簡單的SPI接口重新設(shè)定該器件，因此可用同一種硬件設(shè)計(jì)測量任何傳感器。LTC2983自動執(zhí)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償，可用任何傳感器測量冷接點(diǎn)，而且提供故障報(bào)告。該器件可以直接測量2、3或4線RTD，并可非常容易地共用檢測電阻器以節(jié)省成本，同時(shí)非常容易地輪換電流源，以消除寄生熱效應(yīng)。LTC2983可自動設(shè)定電流源范圍，以提高準(zhǔn)確度、降低與熱敏電阻器測量有關(guān)的噪聲。LTC2983允許使用用戶可編程的定制傳感器?；诒淼亩ㄖ芌TD、熱電偶和熱敏電阻器可以設(shè)定到該器件中。LTC2983在一個(gè)完整的單芯片溫度測量系統(tǒng)中，整合了高準(zhǔn)確度、易用的傳感器接口，并提供很高的靈活性。