一個(gè)小溫度傳感器項(xiàng)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(xiàng)目中可能使用的所有主要類(lèi)型的溫度傳感器。我們正在研究在設(shè)計(jì)中實(shí)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(shí)世界的條件，將傳感器和實(shí)現(xiàn)放在一個(gè)正面的競(jìng)爭(zhēng)中。這個(gè)真實(shí)世界的測(cè)試將使我們更好地了解不同的傳感器是如何工作和對(duì)變化的條件作出反應(yīng)的，以及它們?nèi)绾尉€性和準(zhǔn)確地感知溫度。

與我的項(xiàng)目一樣，您可以在 github. 你可以隨意使用電路或項(xiàng)目，即使是商業(yè)項(xiàng)目。你會(huì)發(fā)現(xiàn)我們討論的電阻溫度探測(cè)器的細(xì)節(jié)，還有我的大量開(kāi)源軟件中的其他電阻溫度探測(cè)器Altium設(shè)計(jì)師圖書(shū)館. 您還可以找到所有其他溫度傳感器類(lèi)型的詳細(xì)信息，以及這個(gè)庫(kù)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(cè)器（RTD），它是最精確的溫度測(cè)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(chēng)為集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）設(shè)備，我們將在接下來(lái)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(cè)器本質(zhì)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(duì)許多工業(yè)都至關(guān)重要。即使在PCB上，溫度傳感器也可以用來(lái)確保從其他傳感器接收到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并有助于防止電路板過(guò)熱。在本系列中，我們將介紹一系列不同的傳感器類(lèi)型以及如何最好地使用它們。我們將關(guān)注：

• 負(fù)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(cè)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(jì)

在溫度傳感器系列簡(jiǎn)介，我們建立了兩個(gè)項(xiàng)目模板，這將使我們有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置不同的溫度傳感器，每個(gè)有相同的接口和連接器的位置。其中一個(gè)項(xiàng)目是為數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)的，另一個(gè)是為模擬溫度傳感器設(shè)計(jì)的。在本文中，我們將同時(shí)使用這兩種方法，將數(shù)字項(xiàng)目模板用于高分辨率ADC，而模擬模板用于所有其他實(shí)現(xiàn)。

在本系列的最后，我們將為這些傳感器卡構(gòu)建兩個(gè)主機(jī)板，一個(gè)用于測(cè)試單個(gè)卡以進(jìn)行驗(yàn)證，另一個(gè)用于連接一堆卡。第二塊主板上安裝了多個(gè)傳感器，當(dāng)我們相互比較評(píng)估所有傳感器實(shí)現(xiàn)的性能時(shí)，我們將使用這個(gè)主板。

電阻溫度檢測(cè)器，簡(jiǎn)稱(chēng)RTD，與熱敏電阻器但通常更準(zhǔn)確。雖然精度為1%的熱敏電阻被認(rèn)為是精確和可接受的，但具有0.1%公差的電阻式溫度檢測(cè)器并不少見(jiàn)。對(duì)于電阻式溫度檢測(cè)器來(lái)說(shuō)，精度比熱敏電阻高得多。除了與我們?cè)贜TC熱敏電阻文章中看到的熱敏電阻相比，電阻式溫度檢測(cè)器的公差更高，它還具有更線性的溫度曲線，這使得利用測(cè)量的電阻更容易實(shí)現(xiàn)。

鎳基電阻溫度探測(cè)器的最高感溫溫度往往比鉑基探測(cè)器低。鉑探測(cè)器的測(cè)量能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)焊料的熔點(diǎn)，因此你會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高溫應(yīng)用，它們是通過(guò)壓接連接安裝在電纜上或內(nèi)置在探頭設(shè)備中，而不僅僅是表面安裝的部件。許多電阻式溫度檢測(cè)器在較低的溫度范圍內(nèi)也能很好地工作，市場(chǎng)上有大量的工作溫度可供選擇，工作溫度遠(yuǎn)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(nèi)工作。

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

與熱敏電阻一樣，減少通過(guò)探測(cè)器的電流對(duì)于確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度至關(guān)重要，而不會(huì)通過(guò)自熱效應(yīng)影響結(jié)果。您通常希望通過(guò)RTD的電流保持在0.1 mA和1.5 mA之間。電阻式溫度檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的自熱問(wèn)題。這意味著你很可能需要使用一種替代方法來(lái)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器來(lái)獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。

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

此實(shí)現(xiàn)的電路板與您預(yù)期的一樣簡(jiǎn)單，只添加了兩個(gè)與項(xiàng)目模板板相比的額外組件。

再一次，對(duì)于RTD的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常糟糕的想法。它本身會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，無(wú)法利用其精度和公差。將簡(jiǎn)單的分壓器留給熱敏電阻型設(shè)備。

測(cè)量電阻最準(zhǔn)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€(gè)平衡支路來(lái)測(cè)量四個(gè)支路中一個(gè)電阻的未知電阻。如果這個(gè)未知電阻是一個(gè)像電阻式溫度檢測(cè)器這樣的裝置，我們可以對(duì)這個(gè)裝置的電阻進(jìn)行非常精確的測(cè)量。當(dāng)電阻變化時(shí)，該電路提供一個(gè)電壓變化，允許微控制器或其他監(jiān)控設(shè)備測(cè)量未知元件的電阻（在本例中為電阻式溫度檢測(cè)器）。

我計(jì)劃在主機(jī)板上使用一個(gè)微控制器，我們將在本系列的后面構(gòu)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(huì)在系統(tǒng)中引入任何與放大器相關(guān)的誤差或偏差，從而降低了設(shè)備的測(cè)試和工廠校準(zhǔn)要求。這也給了我們一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)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(mǎn)足應(yīng)用，并且可以使用具有差分輸入的ADC，則這是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增加運(yùn)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(méi)有差分輸入的ADC兼容。

當(dāng)惠斯通電橋完全平衡時(shí)，輸出端的電壓為零。因?yàn)檫@是一個(gè)平衡電路，我們需要使用高精度電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。另外，因?yàn)檫@是作為一個(gè)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(duì)于如上設(shè)置的電阻式溫度檢測(cè)器，這意味著電橋在0°C的溫度下保持平衡，因?yàn)殡姌騼蓚?cè)在0°C時(shí)具有相同的電位。在傳感器的最高感測(cè)溫度約為150°C時(shí)，我們預(yù)計(jì)會(huì)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(qǐng)記住，這些電壓值是相對(duì)的；我們實(shí)際上并沒(méi)有在地上產(chǎn)生負(fù)電壓。你會(huì)看到這是一個(gè)很小的電壓范圍。通過(guò)在電橋的“頂部”使用較小的電阻值，可以實(shí)現(xiàn)更大的范圍。然而，這樣做會(huì)超過(guò)我們希望流經(jīng)電阻式溫度檢測(cè)器的電流量。在5V電源上串聯(lián)一個(gè)額外的電阻器，可以通過(guò)減少總電流來(lái)對(duì)抗這種情況。

即使在溫度感應(yīng)范圍內(nèi)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(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)足夠的分辨率。

你可能已經(jīng)注意到，我給這個(gè)電路供電的電壓是5伏，而不是我們?cè)谄渌矫媸褂玫母蓛舻?.3伏。使用來(lái)自USB端口的5V電源為電路板供電，在輸出端給我們多一點(diǎn)電壓范圍。因?yàn)榛菟雇姌蚴瞧胶獾模魏喂材Ｔ肼暥紩?huì)被電路自動(dòng)抑制，因此，即使沒(méi)有太多的板載濾波，USB電源上的一點(diǎn)點(diǎn)噪聲也不是什么大問(wèn)題。

您可能還注意到，這個(gè)板與模擬通道的順序不同；把這些模擬輸出放在一個(gè)新的堆棧上比較容易，因?yàn)槲覀儗⒂谐^(guò)10個(gè)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(méi)有任何區(qū)別。

對(duì)于這個(gè)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(rèn)為這些元件產(chǎn)生的任何熱量會(huì)影響感測(cè)溫度，而且它會(huì)使電路板與感溫元件保持一致，始終保持在熱斷開(kāi)范圍內(nèi)。

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

雖然惠斯通電橋是測(cè)量未知電阻的極好方法，但電阻式溫度檢測(cè)器仍然存在一些非線性，這將影響測(cè)量結(jié)果。有一種替代的低成本原理圖，我們可以用來(lái)測(cè)量電阻式溫度檢測(cè)器的電阻，也可以線性化傳感器的輸出，以提供更準(zhǔn)確的測(cè)量。在下面所示的電路中，R4向RTD（R5）提供一個(gè)略低于1 mA的勵(lì)磁電壓。為了使輸出線性化，R3提供一個(gè)隨著溫度升高而增加的勵(lì)磁電流，這有助于補(bǔ)償電阻式溫度檢測(cè)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(shí)提供1.65 V的輸出；但是，由于需要使用標(biāo)準(zhǔn)值組件，我們最終得到的實(shí)際值有點(diǎn)偏差。目標(biāo)是提供大約25 mV/°C的增益，因此在傳感器的最大感應(yīng)范圍150°C時(shí)，我們通過(guò)提供3.3 V信號(hào)來(lái)最大化微控制器ADC的輸入電壓范圍。實(shí)際上，當(dāng)我們使用真實(shí)世界的元件時(shí)，在150°C時(shí)，我們將得到大約3.27V的輸入電壓。

這個(gè)電路應(yīng)該在傳感器的整個(gè)工作范圍內(nèi)為我們提供一個(gè)非常小的溫度誤差。

在這個(gè)電路中使用的運(yùn)算放大器需要一個(gè)負(fù)電源，以便能夠在我們將要測(cè)量的整個(gè)溫度范圍內(nèi)感測(cè)和輸出。如今，對(duì)于新來(lái)的或經(jīng)驗(yàn)不足的工程師來(lái)說(shuō)，負(fù)電壓通常被認(rèn)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(fù)電壓，就像我們這里所做的那樣。在之前的項(xiàng)目文章中，我使用了TPS60403設(shè)備，效果非常好，在這里我將再次使用它，因?yàn)樗且环N產(chǎn)生負(fù)電壓的簡(jiǎn)單方法。

這給了我們一個(gè)很好的小電路板，實(shí)際上看起來(lái)它可以做一些事情，而我們的其他一些電路板上只有幾個(gè)電阻。

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

我們的電路與前面的設(shè)計(jì)非常相似，R3向RTD（R5）提供一個(gè)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(lì)磁電流，如前所述，處于電阻式溫度檢測(cè)器的正確區(qū)域。

與之前的實(shí)現(xiàn)一樣，我們還需要為儀表放大器生成一個(gè)負(fù)電源電壓。我們將保持簡(jiǎn)單，并使用與運(yùn)算放大器相同的負(fù)電壓供應(yīng)電路。

上面討論的放大電路是一個(gè)很好的方法來(lái)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(huì)給我們的測(cè)量帶來(lái)額外的誤差和偏差。用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（PGA-ADC）的可編程增益放大器基本上是同一個(gè)電路，它包含一個(gè)完整的ADC。然而，它的優(yōu)勢(shì)是工廠調(diào)整和補(bǔ)償，提供更精確的放大和轉(zhuǎn)換。我們?cè)谝粋€(gè)不可見(jiàn)的世界里，用一個(gè)不可見(jiàn)的組成部分來(lái)實(shí)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(lèi)型的放大器的電阻值。

數(shù)字化惠斯通電橋基本上與我們?cè)诨倦姌驅(qū)崿F(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(gè)電容器。橋也不再直接接地，因?yàn)锳DC有一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)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(gè)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(shè)備，這是我在惠斯通電橋公司使用的PGA-ADC。它是一個(gè)24位的ADC，它提供了這個(gè)應(yīng)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(huì)很有趣。雖然數(shù)據(jù)表中包含了多個(gè)用于RTD的兩線、三線和四線連接的實(shí)現(xiàn)示例，但我們不會(huì)在本例中使用這些示例中的任何一個(gè)。在本項(xiàng)目中，我們將簡(jiǎn)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(xì)記錄了這些實(shí)現(xiàn)示例，因此我認(rèn)為在這里重新演示它們沒(méi)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(jìn)行直接比較。這樣，我們就可以比較和對(duì)比它們的有效性。

對(duì)于連接到惠斯通電橋，ADC的示意圖相當(dāng)?shù)湫?。我們將使用?nèi)部開(kāi)關(guān)將REFN1連接到地上，ADC由5v（AVDD）供電，同時(shí)還提供5v參考輸入（REFP1）。我們將運(yùn)行電路板的溫度變化將不包括任何實(shí)質(zhì)性的瞬時(shí)溫度變化或波動(dòng)，因此我們可以實(shí)施一個(gè)合理的積極的濾波器，以消除任何共模噪聲。

對(duì)于這個(gè)實(shí)現(xiàn)，我要保留兩條芯片選擇線。當(dāng)我過(guò)去使用ADS1120時(shí)，我發(fā)現(xiàn)來(lái)自DRDY引腳的中斷對(duì)于通知微控制器何時(shí)可以讀取數(shù)據(jù)非常有用。使用這個(gè)特性比用“我們到了嗎？”？我們到了嗎？”。DRDY引腳允許我們?cè)谵D(zhuǎn)換完成后立即從ADC讀取讀數(shù)，以確保數(shù)據(jù)上的時(shí)間戳盡可能準(zhǔn)確。DRDY引腳的芯片選擇線將簡(jiǎn)單地連接到我們用于該設(shè)備的微控制器上的中斷輸入線。

ADS1220的一個(gè)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(gè)16位放大的ADC如這一系列的器件將足以滿(mǎn)足典型的溫度傳感應(yīng)用，并將大大超過(guò)探測(cè)器的能力。

除了通過(guò)從分壓器或惠斯通電橋讀取電壓來(lái)測(cè)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(bǔ)償電路，您需要這些電路來(lái)提供傳感器能夠提供的最精確的溫度測(cè)量。此選項(xiàng)的成本可能是一個(gè)重要因素，但使用PGA-ADC的成本也是一個(gè)重要因素，如上所述。使用PGA-ADC為本文提供了更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和演示，因此我們將不再詳細(xì)介紹RTD轉(zhuǎn)換器IC。

盡管我們?yōu)槲覀兊臏囟葌鞲衅飨盗械倪@一部分構(gòu)建了四個(gè)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(shí)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(cè)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(shè)備上具有巨大的溫度傳感范圍。

我已經(jīng)說(shuō)過(guò)好幾次了，德州儀器ADS1220是我最喜歡的高分辨率ADC之一。假設(shè)您對(duì)使用rtd測(cè)量溫度的其他拓?fù)涓信d趣。在這種情況下ADS1220產(chǎn)品介紹實(shí)現(xiàn)了RTD的所有不同接線，如果ADS1220設(shè)備超出項(xiàng)目預(yù)算，您可以根據(jù)自己的ADC/放大需求進(jìn)行調(diào)整。

您可以找到這些測(cè)試電路板的詳細(xì)信息，以及所有其他溫度傳感器的實(shí)現(xiàn) github. 這些電路板是在麻省理工學(xué)院的開(kāi)源許可下發(fā)布的，所以歡迎您自己構(gòu)建它們，在自己的項(xiàng)目中實(shí)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(duì)溫度傳感器感興趣，一定要看看本系列中的其他項(xiàng)目，因?yàn)槟憧赡軙?huì)找到一種比使用電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）或其他適合你的項(xiàng)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(lèi)型之間的比較，因此您可以直接比較不同傳感器實(shí)現(xiàn)在不同條件下的性能。