高精度的溫度傳感電路設(shè)計(jì)
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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
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(見方程1)。零參考讀數(shù)包括噪聲和偏移量(見方程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)樗窃肼暫推疲孕枰蝗コ?。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，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
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
評(píng)論