溫度比特轉(zhuǎn)換器解決了溫度傳感器測量難題

　　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(lì)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(lì)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(lì)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(dòng)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(lì)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(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)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)。