一個小溫度傳感器項目，還有這么多講究

這是系列文章的第四部分，我們將介紹在電子項目中可能使用的所有主要類型的溫度傳感器。我們正在研究在設計中實現(xiàn)這些不同傳感器的各種方法。在本系列的最后，我們將使用真實世界的條件，將傳感器和實現(xiàn)放在一個正面的競爭中。這個真實世界的測試將使我們更好地了解不同的傳感器是如何工作和對變化的條件作出反應的，以及它們如何線性和準確地感知溫度。

與我的項目一樣，您可以在 github. 你可以隨意使用電路或項目，即使是商業(yè)項目。你會發(fā)現(xiàn)我們討論的電阻溫度探測器的細節(jié)，還有我的大量開源軟件中的其他電阻溫度探測器Altium設計師圖書館. 您還可以找到所有其他溫度傳感器類型的詳細信息，以及這個庫中包含的大量不同組件。

在本系列的這一部分中，我們將介紹電阻溫度檢測器（RTD），它是最精確的溫度測量元件之一，我們可以很容易地獲得這些元件。我特意在這里把“元件”稱為集成電路和微機電系統(tǒng)（MEMS）設備，我們將在接下來的文章中介紹這些器件，它們可以更精確，輸出更線性。電阻式溫度檢測器本質上是一種電阻，其值隨著溫度的變化以非常精確的速率變化。

溫度傳感器對許多工業(yè)都至關重要。即使在PCB上，溫度傳感器也可以用來確保從其他傳感器接收到的數(shù)據(jù)的準確性，并有助于防止電路板過熱。在本系列中，我們將介紹一系列不同的傳感器類型以及如何最好地使用它們。我們將關注：

• 負溫度系數(shù)熱敏電阻

• 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器

• 電阻式溫度檢測器（RTD）

• 模擬溫度傳感器集成電路

• 數(shù)字溫度傳感器IC

• 熱電偶式溫度計

在溫度傳感器系列簡介，我們建立了兩個項目模板，這將使我們有一個標準的測試設置不同的溫度傳感器，每個有相同的接口和連接器的位置。其中一個項目是為數(shù)字溫度傳感器設計的，另一個是為模擬溫度傳感器設計的。在本文中，我們將同時使用這兩種方法，將數(shù)字項目模板用于高分辨率ADC，而模擬模板用于所有其他實現(xiàn)。

在本系列的最后，我們將為這些傳感器卡構建兩個主機板，一個用于測試單個卡以進行驗證，另一個用于連接一堆卡。第二塊主板上安裝了多個傳感器，當我們相互比較評估所有傳感器實現(xiàn)的性能時，我們將使用這個主板。

電阻溫度檢測器，簡稱RTD，與熱敏電阻器但通常更準確。雖然精度為1%的熱敏電阻被認為是精確和可接受的，但具有0.1%公差的電阻式溫度檢測器并不少見。對于電阻式溫度檢測器來說，精度比熱敏電阻高得多。除了與我們在NTC熱敏電阻文章中看到的熱敏電阻相比，電阻式溫度檢測器的公差更高，它還具有更線性的溫度曲線，這使得利用測量的電阻更容易實現(xiàn)。

鎳基電阻溫度探測器的最高感溫溫度往往比鉑基探測器低。鉑探測器的測量能力遠遠超過焊料的熔點，因此你會發(fā)現(xiàn)，對于高溫應用，它們是通過壓接連接安裝在電纜上或內置在探頭設備中，而不僅僅是表面安裝的部件。許多電阻式溫度檢測器在較低的溫度范圍內也能很好地工作，市場上有大量的工作溫度可供選擇，工作溫度遠低于自然環(huán)境中的溫度。表面安裝式RTD組件通常只有與大多數(shù)其他表面安裝部件相似的工作溫度范圍（約-55°C至175°C）。但是，安裝在鉛上的RTD部件可以在-200°C到850°C的范圍內工作。

與熱敏電阻不同，熱敏電阻將25°C時的電阻定義為其規(guī)格電阻，RTD使用0°C時的電阻作為其規(guī)格電阻。

與熱敏電阻一樣，減少通過探測器的電流對于確保能夠準確測量溫度至關重要，而不會通過自熱效應影響結果。您通常希望通過RTD的電流保持在0.1 mA和1.5 mA之間。電阻式溫度檢測器的電阻值往往比熱敏電阻低得多，因此如果不加以檢查，較高的電流流會導致嚴重的自熱問題。這意味著你很可能需要使用一種替代方法來使用一個簡單的分壓器來獲得準確的讀數(shù)。

簡單的電路分壓器不建議與RTD一起使用。探測器的低電阻意味著你將經(jīng)歷一個小的自熱效應，這將導致你的測量不準確，特別是當使用100歐姆的傳感器時，比如我們將要看到的傳感器。我們可以實現(xiàn)分壓器為1千歐姆的電阻式溫度檢測器，我們期待使用；不過，那可沒那么有趣！有了100歐姆電阻式溫度檢測器，我們將有望看到分壓器的性能要差得多，并說明為什么使用替代拓撲是一個更好的主意，盡管它們有額外的復雜性。在0°C時，我們可以看到大約16.5毫安的電流流過電阻式溫度檢測器，是理想最大值的兩倍，我很好奇這是如何影響感測溫度的。

此實現(xiàn)的電路板與您預期的一樣簡單，只添加了兩個與項目模板板相比的額外組件。

再一次，對于RTD的實現(xiàn)來說，這是一個非常糟糕的想法。它本身會產(chǎn)生過多的熱量，無法利用其精度和公差。將簡單的分壓器留給熱敏電阻型設備。

測量電阻最準確的方法之一是使用惠斯通電橋?；菟雇姌蚴褂秒姌螂娐分械膬蓚€平衡支路來測量四個支路中一個電阻的未知電阻。如果這個未知電阻是一個像電阻式溫度檢測器這樣的裝置，我們可以對這個裝置的電阻進行非常精確的測量。當電阻變化時，該電路提供一個電壓變化，允許微控制器或其他監(jiān)控設備測量未知元件的電阻（在本例中為電阻式溫度檢測器）。

我計劃在主機板上使用一個微控制器，我們將在本系列的后面構建這些主板。這些將具有差分輸入和連接到這些引腳的16位ADC。這意味著我們可以將惠斯通電橋直接連接到微控制器的差分ADC輸入端。這并不能為我們提供像我們將在本文后面討論的放大惠斯通電橋那樣的精度。然而，這意味著我們也不會在系統(tǒng)中引入任何與放大器相關的誤差或偏差，從而降低了設備的測試和工廠校準要求。這也給了我們一個機會來觀察帶有RTD傳感器的惠斯通電橋的原始輸出。

如果輸出的分辨率足以滿足應用，并且可以使用具有差分輸入的ADC，則這是一個簡單的實現(xiàn)。通過增加運算放大器或儀表放大器，惠斯通電橋的差分電壓輸出可以增加，提供更有用的電壓，更適合于ADC的典型分辨率，并與沒有差分輸入的ADC兼容。

當惠斯通電橋完全平衡時，輸出端的電壓為零。因為這是一個平衡電路，我們需要使用高精度電阻來實現(xiàn)這一點。另外，因為這是作為一個溫度傳感器，我們需要使用低溫系數(shù)電阻，以盡量減少誤差。我使用的所有電阻器的公差為0.1%，溫度系數(shù)為25ppm/°C。

對于如上設置的電阻式溫度檢測器，這意味著電橋在0°C的溫度下保持平衡，因為電橋兩側在0°C時具有相同的電位。在傳感器的最高感測溫度約為150°C時，我們預計會看到約0.344 V的電位差。在-0.0℃的溫度下，我們可以看到-0。請記住，這些電壓值是相對的；我們實際上并沒有在地上產(chǎn)生負電壓。你會看到這是一個很小的電壓范圍。通過在電橋的“頂部”使用較小的電阻值，可以實現(xiàn)更大的范圍。然而，這樣做會超過我們希望流經(jīng)電阻式溫度檢測器的電流量。在5V電源上串聯(lián)一個額外的電阻器，可以通過減少總電流來對抗這種情況。

即使在溫度感應范圍內出現(xiàn)這種低電壓變化，我希望在主板上使用的NXP Kinetis中的ADC仍然可以提供大約0.02°C的ADC分辨率。對于大多數(shù)實際應用來說，這是一個足夠的分辨率。

你可能已經(jīng)注意到，我給這個電路供電的電壓是5伏，而不是我們在其他方面使用的干凈的3.3伏。使用來自USB端口的5V電源為電路板供電，在輸出端給我們多一點電壓范圍。因為惠斯通電橋是平衡的，任何共模噪聲都會被電路自動抑制，因此，即使沒有太多的板載濾波，USB電源上的一點點噪聲也不是什么大問題。

您可能還注意到，這個板與模擬通道的順序不同；把這些模擬輸出放在一個新的堆棧上比較容易，因為我們將有超過10個模擬輸入到微控制器。如果輸入的順序與文章中的順序不同，則沒有任何區(qū)別。

對于這個PCB，我已經(jīng)把電橋的其他電阻元件放在電路板上熱斷路器的另一邊。我不認為這些元件產(chǎn)生的任何熱量會影響感測溫度，而且它會使電路板與感溫元件保持一致，始終保持在熱斷開范圍內。

那么，如果你的微控制器沒有差分ADC，或者甚至沒有高分辨率的ADC呢？為了獲得最高的測量精度，我更喜歡使用24位或更好的模擬到數(shù)字轉換器和可編程增益放大器內置。我們將在本文后面討論這個選項。

雖然惠斯通電橋是測量未知電阻的極好方法，但電阻式溫度檢測器仍然存在一些非線性，這將影響測量結果。有一種替代的低成本原理圖，我們可以用來測量電阻式溫度檢測器的電阻，也可以線性化傳感器的輸出，以提供更準確的測量。在下面所示的電路中，R4向RTD（R5）提供一個略低于1 mA的勵磁電壓。為了使輸出線性化，R3提供一個隨著溫度升高而增加的勵磁電流，這有助于補償電阻式溫度檢測器元件的任何非線性。

為本示意圖選擇的部件旨在在0°C時提供1.65 V的輸出；但是，由于需要使用標準值組件，我們最終得到的實際值有點偏差。目標是提供大約25 mV/°C的增益，因此在傳感器的最大感應范圍150°C時，我們通過提供3.3 V信號來最大化微控制器ADC的輸入電壓范圍。實際上，當我們使用真實世界的元件時，在150°C時，我們將得到大約3.27V的輸入電壓。

這個電路應該在傳感器的整個工作范圍內為我們提供一個非常小的溫度誤差。

在這個電路中使用的運算放大器需要一個負電源，以便能夠在我們將要測量的整個溫度范圍內感測和輸出。如今，對于新來的或經(jīng)驗不足的工程師來說，負電壓通常被認為有些“可怕”，但如果你只需要提供少量電流，就很容易產(chǎn)生負電壓，就像我們這里所做的那樣。在之前的項目文章中，我使用了TPS60403設備，效果非常好，在這里我將再次使用它，因為它是一種產(chǎn)生負電壓的簡單方法。

這給了我們一個很好的小電路板，實際上看起來它可以做一些事情，而我們的其他一些電路板上只有幾個電阻。

雖然上述電路是一個很好的選擇，以實現(xiàn)線性化的電阻式溫度檢測器在低成本，我們可以采取進一步的只是一個小的額外費用。通過將運算放大器改為儀表放大器，我們可以比在運算放大器上增加一個緩沖放大器更便宜地緩沖輸入。儀器放大器有一個非常高的輸入阻抗，所以它不會以任何可量化的方式來偏差傳感器的測量值。

我們的電路與前面的設計非常相似，R3向RTD（R5）提供一個隨溫度升高而增加的偏置電流。R4提供約0.9毫安的額定勵磁電流，如前所述，處于電阻式溫度檢測器的正確區(qū)域。

與之前的實現(xiàn)一樣，我們還需要為儀表放大器生成一個負電源電壓。我們將保持簡單，并使用與運算放大器相同的負電壓供應電路。

上面討論的放大電路是一個很好的方法來觀察和理解正在發(fā)生的事情，但是我們需要的附加電阻和放大器的數(shù)量會給我們的測量帶來額外的誤差和偏差。用于模數(shù)轉換器（PGA-ADC）的可編程增益放大器基本上是同一個電路，它包含一個完整的ADC。然而，它的優(yōu)勢是工廠調整和補償，提供更精確的放大和轉換。我們在一個不可見的世界里，用一個不可見的組成部分來實現(xiàn)我們自己的理想。但潛在的是，這可能不太完美，這取決于我們使用哪種類型的放大器的電阻值。

數(shù)字化惠斯通電橋基本上與我們在基本電橋實現(xiàn)中使用的電路相同，只是電橋輸出之間的去耦電容已被移除。相反，在ADC輸入的濾波部分將有一個電容器。橋也不再直接接地，因為ADC有一個內部開關連接到地。這樣可以確保所有連接都在ADC處終止。我還增加了一個去耦電容，C6，在5伏電源和電橋接地之間。

我使用的是德州儀器公司的ADS1220IPWR設備，這是我在惠斯通電橋公司使用的PGA-ADC。它是一個24位的ADC，它提供了這個應用所需的更高的分辨率。但是，我想看看它將提供的完整分辨率數(shù)據(jù)會很有趣。雖然數(shù)據(jù)表中包含了多個用于RTD的兩線、三線和四線連接的實現(xiàn)示例，但我們不會在本例中使用這些示例中的任何一個。在本項目中，我們將簡單地將惠斯通電橋的差分輸出直接連接到輸入端。由于ADS1220數(shù)據(jù)表中已詳細記錄了這些實現(xiàn)示例，因此我認為在這里重新演示它們沒有任何好處。相反，我更感興趣的是顯示原始惠斯通電橋的讀數(shù)，以便與前面討論的電路進行直接比較。這樣，我們就可以比較和對比它們的有效性。

對于連接到惠斯通電橋，ADC的示意圖相當?shù)湫?。我們將使用內部開關將REFN1連接到地上，ADC由5v（AVDD）供電，同時還提供5v參考輸入（REFP1）。我們將運行電路板的溫度變化將不包括任何實質性的瞬時溫度變化或波動，因此我們可以實施一個合理的積極的濾波器，以消除任何共模噪聲。

對于這個實現(xiàn)，我要保留兩條芯片選擇線。當我過去使用ADS1120時，我發(fā)現(xiàn)來自DRDY引腳的中斷對于通知微控制器何時可以讀取數(shù)據(jù)非常有用。使用這個特性比用“我們到了嗎？”？我們到了嗎？”。DRDY引腳允許我們在轉換完成后立即從ADC讀取讀數(shù)，以確保數(shù)據(jù)上的時間戳盡可能準確。DRDY引腳的芯片選擇線將簡單地連接到我們用于該設備的微控制器上的中斷輸入線。

ADS1220的一個更便宜的替代品是ADS1120系列，它有相同的引腳和功能，但只有16位的分辨率。一個16位放大的ADC如這一系列的器件將足以滿足典型的溫度傳感應用，并將大大超過探測器的能力。

除了通過從分壓器或惠斯通電橋讀取電壓來測量溫度外，我們還可以使用溫度傳感器放大器，就像我們將要看到的那樣，用于熱電偶。這些集成電路將為您提供數(shù)字溫度輸出，而不是電壓電平，通常包括所有放大和補償電路，您需要這些電路來提供傳感器能夠提供的最精確的溫度測量。此選項的成本可能是一個重要因素，但使用PGA-ADC的成本也是一個重要因素，如上所述。使用PGA-ADC為本文提供了更好的學習體驗和演示，因此我們將不再詳細介紹RTD轉換器IC。

盡管我們?yōu)槲覀兊臏囟葌鞲衅飨盗械倪@一部分構建了四個不同的電路板，但我們只討論了使用RTD傳感器的許多不同方法中的一些?？紤]兩線、三線和四線傳感器，以及用安裝在板上的傳感器實現(xiàn)這些原理圖的能力，以及與RTD接口的各種不同方式。電阻式溫度檢測器（RTD）是一種用途更廣的溫度傳感器之一，具有優(yōu)良的精度和公差值，并且在某些設備上具有巨大的溫度傳感范圍。

我已經(jīng)說過好幾次了，德州儀器ADS1220是我最喜歡的高分辨率ADC之一。假設您對使用rtd測量溫度的其他拓撲感興趣。在這種情況下ADS1220產(chǎn)品介紹實現(xiàn)了RTD的所有不同接線，如果ADS1220設備超出項目預算，您可以根據(jù)自己的ADC/放大需求進行調整。

您可以找到這些測試電路板的詳細信息，以及所有其他溫度傳感器的實現(xiàn) github. 這些電路板是在麻省理工學院的開源許可下發(fā)布的，所以歡迎您自己構建它們，在自己的項目中實現(xiàn)它們的電路，或者以任何您希望的方式使用它們。

如果你對溫度傳感器感興趣，一定要看看本系列中的其他項目，因為你可能會找到一種比使用電阻式溫度檢測器（RTD）或其他適合你的項目的選擇更便宜的替代品。在本系列文章的最后，您將看到所有不同傳感器類型之間的比較，因此您可以直接比較不同傳感器實現(xiàn)在不同條件下的性能。