基于熱敏電阻的溫度測量系統(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溫電路中看到他們的身影。本文將介紹NTC熱敏電阻測溫設(shè)計(jì)中的相關(guān)知識點(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)行測溫。

下面是典型的NTC熱敏電阻測溫電路拓?fù)鋱D

圖1：典型的NTC熱敏電阻測溫電路拓?fù)鋱D(圖片來源：ADI)

激勵電流源/電壓源

兩種常見的激勵方式包括電流源與電壓源，兩者的特性比較如下：

激勵電流源激勵電壓源

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

激勵電流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

對于電流激勵來說，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)。對于電壓激勵來說，標(biāo)稱電阻低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵。然而，用戶必須確保通過傳感器的電流在任何時候?qū)鞲衅鞅旧砘驊?yīng)用而言都不會太大。

當(dāng)使用標(biāo)稱電阻大、溫度范圍大的熱敏電阻時，電壓激勵更容易實(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)用支持的整個溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

可編程增益級vs.動態(tài)激勵電流

熱敏電阻在低溫度下具有較大的電阻，則會導(dǎo)致激勵電流值非常低, 而在高溫下通過熱敏電阻產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。然而，當(dāng)熱敏電阻的信號電平隨溫度顯著變化時，需要動態(tài)編程增益。另一種方法是，增益固定不變，但使用動態(tài)激勵電流。隨著熱敏電阻信號電平的變化，激勵電流值會動態(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”還是“動態(tài)激勵電流”，這兩種選擇都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測熱敏電阻上的電壓，以確保電子設(shè)備可以測量信號。

可以使用一些專用ADC芯片來簡化設(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，有很多優(yōu)勢。

Σ-Δ型ADC在設(shè)計(jì)熱敏電阻測量系統(tǒng)時具有多種優(yōu)勢。首先，Σ-Δ型ADC對模擬輸入進(jìn)行過采樣，因此可以簡化外部濾波電路設(shè)計(jì)，僅需要一個簡單的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

D7124-4 series 24 位 19.2k 采樣率

4個差分/7個偽差分輸入AD7124-8 series 24 位 19.2k 采樣率

8個差分/15個偽差分輸入

熱敏電阻電路配置比率配置

無論使用激勵電流還是激勵電壓，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源。這意味著激勵源的任何變化都不會影響測量的準(zhǔn)確性。

配置激勵電流源

下圖顯示了為熱敏電阻和精密電阻RREF供電的恒定激勵電流，通過RREF產(chǎn)生的電壓為熱敏電阻測量的參考電壓。激勵電流不需要精確，并且可能不太穩(wěn)定，因?yàn)樵诒嚷逝渲弥屑铍娏髦械娜魏五e誤都將被取消。

圖3：配置激勵電流源(圖片來源：ADI)

當(dāng)傳感器離主電路很遠(yuǎn)時，由于激勵電流源對靈敏度的優(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10k?熱敏電阻的電阻為10 k?。-50°C時，NTC熱敏電阻電阻為441.117k?。AD7124提供的最小激勵電流為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，因此不需要激勵電流的抗噪優(yōu)勢。

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

配置激勵電壓源

下圖顯示了用于在NTC熱敏電阻上產(chǎn)生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加一個串聯(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，輸出電壓將設(shè)置為參考電壓的中間值。