在大年夜多半的工业用测量控制监测体系中，温度测量传感电路的设计都是一个重要的构成部分。它广泛应用于很独特定的情况控制处理计算中。一些最常见的传感器可以用于测量绝对温度或者温度变更，例如是电阻式的温度检测器(RTD)、二极管传感器、热敏电阻传感器以及热电偶传感器等等。

在这篇文┞仿中，我们将介绍应用这些传感器进行周详温度测量电路设计的要点。温度传感电路设计包含：精确选择合适的温度感应器以及须要的旌旗灯号调节器和数字化器件产品，以便更有效地、更精确地测量温度数值。

在我们介绍温度测量体系之前,我们先来看看常见的传统温度传感器设计电路的长处及缺点。

传统热电偶传感器设计电路
CDS可以在旌旗灯号处理阶段削减低频袈潆声和偏移。起首，测量零参考偏移（两个输入都短路就可以测量到)，然后测量热电偶电压。当直接用热电偶旌旗灯号测量时，它包含实际热电偶电压、噪声电压、偏移量(见方程1)。零参考读数包含噪声和偏移量(见方程2)。

热电偶传感器工作的道理是当温度不应时，两种不合成分的金属的接合点之间产生电压（或称为电动势）。一个热偶由两种不合的金属端连接而成，相连的个一一端被称为热端。另一端则被称为冷端，合营连接到温度测试电路。热端邮攀冷端之间因为温差的差别而导致产生电动势。这种电动势可以用测量电路测量获得。图1显示的是一个根本的热电偶传感器电路。

图1：根本的热电偶传感器设计电路

热电偶传感器产生的实际电压取决于相对温度之差以及被用于构成热电偶传感器的不合的金属类型。热电偶的灵敏度和温度测量范围同样与所应用的两种金属有很大年夜关系。在市情上有很多类型的热电偶传感器出售，它们可以根据所应用的不合金属冷热妒攀来区分：例如，B型(铂/铑)、J型(铁/镍铜合金)、和K型(镍铬合金/铝镍合金)。大年夜家可以根据实际应用处合选择合适的热电偶传感器器件。

热电偶传感器的重要优势是他们的鲁棒性（在异常和危险情况下体系恢复正常运转的特点）、宽温范围（零下270摄氏度到零上3000摄氏度）、响应快、封装种类多、成本较低。而它们的局限主如果精度较低和噪声较大年夜。

电阻式温度检测传感器设计电路

电阻式温度检测传感器（RTD）的工作道理是：因为每种金属在不合温度下具有特定的和独特的电阻率特点，所以当温度变更时检测金属电阻的变更，大年夜而获得温度测量数值。金属的电阻是和它本身的长度成正比、和截面积成反比的。这个比例数值取决于传感器本身金属材质的电阻率大年夜小。
1．根据应悠揭捉择恰当的传感器。

为了更精确的测量温度，RTD构造里金属材料的选择就成了一个比较关键的┞峰酌身分。用于电阻式温度检测传感器的金属重要有铂、镍以及铜。在这三种资估中，金属铂制成的电阻式温度检测传感器是最精确、最靠得住的。它也具有不易被污染的情况等身分影响，可包管经久稳定性和可反复性。这些电阻式温度检测传感器重要长处还有宽温范围(零下250摄氏度到零上900摄氏度)、高精度、和线性等等。其局限性则包含成本较高和响应略慢等等。

热敏电阻传感器设计电路

和电阻式温度检测传感器RTD相类似，热敏电阻传感器的工作道理也是随温度的变更，电阻阻值响应变更。只是，一般的热敏电阻都拥有一个可计算的负温度系数。热敏电阻传感器的重要优势是它们的价格低并且精度可以接收。它们的缺点是温度范围非线性。然而，鉴于当今很多微控制器芯片上都有片上闪存，可以建立一个可萌芽纠错的数据表来削减非线性问题带来的精度影响范围。如不雅须要测量的温度范围在零下100摄氏度到零上300摄氏度之内，则热敏电阻传感器仍可以作为比较靠得住的和比较周详的温度测量设备。


温度测量体系

在温度监测体系中，传感器必须把温度转换成电旌旗灯号，经由旌旗灯号调节阶段(旌旗灯号处理取决于不合的传感器)，然后送到一个模仿数字转换器(ADC)，进行转换获得数值。体系还须要通信外设电路来和其它大年夜的设备接口连接以便供给反馈，或者将数值送至片上闪存来存储测量值或者进行须要的显示。图2显示了温度测量体系的根本框图。

图2：温度测量体系框图

尽管图2显示在ADC之进步行了旌旗灯号处理，是否有须要在旌旗灯号转换之落后行处理还取决于是模仿体系照样数字体系。整体精度依附于噪声控制、偏移、预处理电路及ADC所带来的增益误差。很多应用须要大年夜远端进行及时温度数据采集，比如矿场、工业、和复荡蝼动化场合。应用串行通信协定，如UART、I2C都可以用来给主体系控制器传誓┞封种温度数据。


基于热电偶传感器的温控体系广泛应用于工业控制中，这是因为其很宽的温度范围的优势造成的。它的基来源基本理是经由过程测量接合点电动势来感应温度。但它须要一个假设：假定冷端是恰好是在摄氏零度。然而，让冷端一向保持在这个温度是不符合实际的。为了实现精确测量，须要应用一种技巧手段，我们可以称之为冷端补偿(CJC)。

为了进行冷端补偿，基于热电偶的周详温度测量体系里附加了一个温度传感器(安装在冷端的顶头)来测量冷端的温度。冷端的温度测量最常用的是热敏电阻传感器，因为其成本低，温度范围可以覆盖冷端温度，知足大年夜多半应用。为了测量CJC电压、先要找冷端温度，然后检查热电偶电动势来求得温度。加上冷端电压后产生出CJC电压，其响应的温度就是实际温度。

热电偶产生的电动势只有几uV，这使它很轻易受到噪声干扰。并且，在这个旌旗灯号传输给模数转换器之前，它须要被放大年夜(这同时也会增长噪声和偏移)。在周详测量中，应当去除这类噪沃森WSEN声和偏移。我们举例来解释若何应用相干双抽样办法(CDS)清除偏移和削减低频袈潆声。



(方程1) VTCouple_Signal = VTC + VN + Voffset

(方程2) VZero_Ref = VN + Voffset

之前的零参考取样数值和今朝零参考测量数值的关系是:

(方程3) VZero_ref_Prev = (VN + Voffset)*Z-1

那么，当前的热电偶测量值和之前的零参考电平的差是:
(方程4) Vsignal = (VTC + VN + Voffset) - (VN + Voffset)*Z-1

Voffset是静态的, 所以它当前的值和之前的取样数值是雷同的。VN不是一成不变的，因为它是噪声和漂移，所以须要被去除。大年夜当前取样值中减去前面的噪声值将会去除低频袈潆声。由此可见，相干的双抽样办法CDS工作起来就像是高通滤波器。EECOL_2011Mar09_DSP_TA_50.pdf

模仿数字转换器ADC的本身有一个低通滤波往来交往除高频袈潆声。然而，在模数转换器ADC输出端的IIR滤波器将有助于进一步弱化经由它或传输给模仿数字转换器ADC的噪声频带。市情上的混淆旌旗灯号控制器都可设备数字滤波器，它可以经由过程器件本身硬件处理过滤而无需在固件电路长进行过滤大年夜而可以节俭CPU周期。图3所示实现了一个基于热电偶的温度监测体系，它应用了赛普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件来实现。这些器件都有片上20位分辨率的delta-sigma模数转换器，都内置了可编程增益缓存用来放大年夜旌旗灯号，内置了数字滤波器模块(DFB)来滤波。它供给了一个高度集成的温度测量体系。然而，因为设计中有热电偶，所以可能须要附加一个增益段。这个增益可以经由过程一个放大年夜器来实现，可以应用片上的可编程增益放大年夜器(PGA)。

图3：基于热电偶传感器的温度测量体系电路

在图3的体系中，模仿MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用来把传感器正端和负端输出的旌旗灯号转换成模数转换器的┞俘输仁攀来实施相干双抽样。如今的问题是应用雷同的模数转换器时若何让两个传感器电路都是一样的零参考值。谜底是如许的--热敏电阻、热电偶有不合的输出电压范围，是以须要不合倍数的放大年夜。PSoC3和PSoC5器件中的ADC有多个设备，可以改变运行时光。对于不合的增益设置，偏移也不合，所以须要两种传感器电路中都应用相干双抽样。这会赞助清除全部模仿旌旗灯号链的偏移。AMux用于传感器在热电偶、热敏电阻之间的选择。直接内存拜访(DMA)攫取ADC值并写入数字滤波模块(DFB)来过滤噪声。

RTD和热敏电阻温度传感器设计电路
另一方面，在4线电路中的RTD电阻可以按照方程6计算。因为测量体系具有很高的输入阻抗, 在测控体系中没有电流，是以分压电阻节点和测量体系间的电阻是串联方法，不会有影响。RTD的电阻(RRTD)可按方程6推导出来。
7．为了适应情况的变更，而又能包管精度，建议应用基于混淆旌旗灯号的实现方法。

应用电阻式温度检测器（RTD）和热敏电阻测量温度时须要测量电阻，所以测量的方法决定了体系的精度。为了测量到精确的旌旗灯号，应当应用差分输入而不是单端输入。差分输入可以清除通俗噪声，并且效不雅不错，可以达到μV级的敏感度(相对于单端输入的mV灵敏度很多多少了)。让我们来看看两种连接-ve输入到ADC的不合模式，详见图4。

图4：两种不合的 -ve连接方法设计电路

图4右边的电路设计好于左边的。在右面的电路中，-ve直接连接到接近分压电阻的参考电压。右面的电路可以赞助降低测量时的噪声的和因为PCB构造或走线阻抗带来的误差等等。
基于热敏电阻的温度测量体系可以说是图3和图4的集合。如今，让我们看看应用RTD的测量体系。金属铂RTD制成的温度传感器无论大年夜时光和温度上来说都是最精确、最稳定的，所以在精确测量的应用中应用它应当是首选。RTD上的电压降是可以测量的，和热敏电阻的测量方法一样，平日应用2线办法。连接RTD到测量体系时，要经由较长的电路，如不雅应用电压源作为鼓励的话，电路走线电阻就成为重要的测量误差源，图5则给出了2线测量电路和4线测量电路设计上的差别。

图5：2线连接和4线连接的测量电路设计

在2线电路中，RTD的电阻(RRTD)可以按方程5测量获得。然而，如不雅我们看一下这个电路，还有另一个电阻Rwire，那可能会导致一测量误差。

(方程5) RRTD = (Rref+Rwire)*( V2-V1)/(V-V2)


(方程6) RRTD = Rref*( V2-V1)/(V4-V3)

我们再来看一下方程5和方程6。测量的精确度重要取决于Rref的精确度。为了在电压鼓励中克服这个问题，RTD应用恒流源来代替电压源。当应用恒流源时，穿过RTD的电压降只取决于其电阻值亲睦流源值。然而，应用恒流源励磁时测量的精确度取决于电流源的精确度。因为是进行周详的温度测量工作，DAC电流应当被TIA校准。图6显示了应用PSoC3和PSoC5器件实现的一个基于RTD的温度测量体系。这些器件有片上电流源，不须要额外增长模仿放大年夜器电路。同时，这些设备有片上TIA可以用于为IDAC校准。

图6：基于电阻式温度检测器RTD的温度测量设计电路

下面我们总结一下进行周详温度测量电路设计的根本要点：


2．CDS有助于进行精确的感测器的读数，避免偏移误差，清除低频袈潆声。

3．对于热电偶体系，可以用滤波器来清除噪声。

4．电流励磁体系可以经由过程清除电路中不精确的参考电阻来进步精确度。

5．如不雅应用电压鼓励，应当应用4线测量体系。

6．体系的┞符体精度取决于旌旗灯号链的精确度和精率。是以，建议应用高精度高分辨率的Delta sigma 模仿数字转换器ADC。


若何进步热电偶温度传感器精度

温度传感电路部分是很多工业体系或嵌入式设计的重要构成部分。我们已经评论辩论了在精确攫取传感器值时所面对的各类各样的挑衅，以及若何应用精确模仿技巧来进步精度。这些是通用的技巧，它同样实用于其他传感寡居口电路。 (end)