精確的溫度至比特轉(zhuǎn)換器解決了溫度傳感器測(cè)量難題

盡管溫度是我們生活的基本方面，但是溫度難以準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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，常常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(cè)量溫度。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 0.5oC 或 0.1oC 的準(zhǔn)確度測(cè)量溫度依然富有挑戰(zhàn)性 (參見圖 1)。

圖 1：LTC2983 的溫度準(zhǔn)確度

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(cè)量算法以及線性化數(shù)據(jù)，以直接測(cè)量每種傳感器，并以 oC 為單位輸出測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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 oC 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) <100mV) (參見圖 2)。由于 ADC 存在偏移和噪聲，所以所測(cè)量電壓值必須很低。此外，該電壓是絕對(duì)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/oC 的基準(zhǔn) (參見圖 3)。

圖 2：熱電偶設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

圖 3：采用二極管冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量

當(dāng)熱電偶尖頭裸露于低于冷接點(diǎn)溫度的溫度時(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)雜了。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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

除了提供很高的測(cè)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(huì)引入額外誤差。LTC2983 包含一個(gè)內(nèi)置數(shù)字濾波器和對(duì) 50Hz 及 60Hz 的 75dB 抑制。

故障檢測(cè)是很多熱電偶測(cè)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(cè)這類故障。這種方式的問題是，這些感應(yīng)信號(hào)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(cè)電路，該電路可在測(cè)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(cè)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(cè)、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(zhǎng)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(cè)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 (參見圖 4)。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(cè)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(cè)量的是絕對(duì)電壓，ADC 基準(zhǔn)電壓的值和漂移都是關(guān)鍵。LTC2983 包含在工廠中微調(diào)過最大值為 10ppm/oC 的基準(zhǔn)。

LTC2983 自動(dòng)產(chǎn)生成比例的電流、測(cè)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 oC 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(cè)量冷接點(diǎn)溫度，LTC2983 就會(huì)檢測(cè)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(cè)量結(jié)果中報(bào)告該故障。

圖 4：二極管設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

RTD：概述

RTD 是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。為了測(cè)量一個(gè) RTD，將一個(gè)準(zhǔn)確已知的低漂移檢測(cè)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(cè)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)地產(chǎn)生激勵(lì)電流，同時(shí)測(cè)量檢測(cè)電阻器和 RTD 電壓，計(jì)算傳感器電阻，并以 oC 為單位報(bào)告結(jié)果。RTD 可以在很寬的溫度范圍內(nèi)測(cè)量溫度，從低至 -200oC 到高達(dá) 850oC。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(duì)很多標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置了系數(shù) (美國(guó)、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)。

RTD：重要的是什么?

典型 PT100 RTD (參見圖 5) 的電阻值在溫度每變化 1/10oC 時(shí)變化不到 0.04Ω，在 100μA 電流激勵(lì)時(shí)對(duì)應(yīng) 4μV 信號(hào)電平。低 ADC 偏移和噪聲對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量是至關(guān)重要。測(cè)量相對(duì)于檢測(cè)電阻器而言是比例式的，不過在計(jì)算溫度時(shí)，激勵(lì)電流和基準(zhǔn)電壓的絕對(duì)值不那么重要。

圖 5：RTD 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

以前，RTD 和檢測(cè)電阻器之間的比例式測(cè)量是用單個(gè) ADC 執(zhí)行的。檢測(cè)電阻器的壓降用作測(cè)量 RTD 壓降的 ADC 之基準(zhǔn)輸入。這種架構(gòu)需要 10KΩ 或更大的檢測(cè)電阻器，因此需要緩沖，以防止由 ADC 基準(zhǔn)輸入動(dòng)態(tài)電流導(dǎo)致的壓降。既然檢測(cè)電阻器的值至關(guān)重要，那么緩沖器就必須是低偏移、低漂移和低噪聲的。這種架構(gòu)使電流源難以輪換，以消除寄生熱電偶效應(yīng)。增量累加 ADC 的基準(zhǔn)輸入更易于受到噪聲而不是輸入的影響，而且低基準(zhǔn)電壓值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。LTC2983 的多 ADC 架構(gòu)解決了所有這些問題 (參見圖 6)。LTC2983 運(yùn)用了兩個(gè)高度匹配、有緩沖和自動(dòng)校準(zhǔn)的 ADC，一個(gè)用于 RTD，另一個(gè)用于檢測(cè)電阻器。這些 ADC 同時(shí)測(cè)量 RTD 和 RSENSE，計(jì)算 RTD 電阻，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)查一個(gè)基于 ROM 的表，最終以 oC 為單位輸出 RTD 溫度。

圖 6：用 LTC2983 測(cè)量 RTD 溫度

RTD 有很多種配置：2 線、3 線和 4 線。LTC2983 以可配置的單一硬件解決方案提供所有 3 種配置。該器件可在多個(gè) RTD 之間共享單一檢測(cè)電阻器。其高阻抗輸入允許在 RTD 和 ADC 輸入之間接入外部保護(hù)電路，而不會(huì)引入誤差。該器件還可以自動(dòng)輪換電流激勵(lì)，以消除外部熱誤差 (寄生熱電偶)。在檢測(cè)電阻器的寄生引線電阻降低性能的情況下，LTC2983 允許用 Rsense 進(jìn)行開爾文檢測(cè)。

LTC2983 包括故障檢測(cè)電路。該器件可以確定，檢測(cè)電阻器或 RTD 是否損壞或短路。如果所測(cè)溫度高于或低于 RTD 規(guī)定的最高或最低溫度，LTC2983 就發(fā)出警告。當(dāng) RTD 用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器時(shí)，3 個(gè) ADC 同時(shí)測(cè)量熱電偶、檢測(cè)電阻器和 RTD。RTD 故障信息傳遞到熱電偶測(cè)量結(jié)果中，同時(shí) RTD 溫度自動(dòng)地用來補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

熱敏電阻器概述

熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而改變的電阻器。與 RTD 不同，熱敏電阻器的電阻值在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個(gè)量級(jí)。為了測(cè)量熱敏電阻器，要給傳感器串聯(lián)連接一個(gè)檢測(cè)電阻器。給該網(wǎng)絡(luò)加上激勵(lì)電流，并進(jìn)行比例式測(cè)量。熱敏電阻器的電阻值以歐姆為單位，可以根據(jù)這個(gè)比率確定。這個(gè)電阻值用來確定傳感器的溫度，進(jìn)而求解 Steinhart-Hart 方程或查詢表數(shù)據(jù)。LTC2983 自動(dòng)地產(chǎn)生激勵(lì)電流，同時(shí)測(cè)量檢測(cè)電阻器和熱敏電阻器電壓，計(jì)算熱敏電阻器的電阻，并以 oC 為單位報(bào)告結(jié)果。熱敏電阻器一般在 -40oC 至 150oC 溫度范圍內(nèi)工作。LTC2983 包含計(jì)算 2.252kΩ、3kΩ、5kΩ、10kΩ 和 30kΩ 標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器溫度所需的系數(shù)。因?yàn)橛卸喾N類型和電阻值的熱敏電阻器，所以LTC2983 可用定制熱敏電阻器表數(shù)據(jù) (R 和 T) 或Steinhart-Hart 系數(shù)來設(shè)定。

熱敏電阻器：重要的是什么?

熱敏電阻器的電阻值 (參見圖 7) 在其溫度變化范圍內(nèi)的變化可以達(dá)到多個(gè)量級(jí)。例如，一個(gè)在室溫時(shí) 10kΩ 的熱敏電阻器在最高溫度時(shí)可能低至 100Ω，而在最低溫度時(shí)可能 >300kΩ，而其他熱敏電阻器標(biāo)準(zhǔn)可能達(dá)至 1MΩ 以上。

圖 7：熱敏電阻器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

典型情況下，為了適應(yīng)大阻值電阻，會(huì)使用電流非常小的激勵(lì)電流源和阻值較大的檢測(cè)電阻器。這導(dǎo)致在熱敏電阻器阻值范圍的低端，信號(hào)電平非常低。需要輸入緩沖器和基準(zhǔn)緩沖器隔離 ADC 的動(dòng)態(tài)輸入電流和這些較大的電阻器。但是如果沒有單獨(dú)的電源，緩沖器在靠近地時(shí)工作不是很好，而且需要最大限度減小偏移 / 噪聲誤差。LTC2983 解決了所有這些問題 (參見圖 8)。該器件整合了一個(gè)連續(xù)校準(zhǔn)的專有緩沖器和多 ADC 架構(gòu)，該緩沖器能夠在地電平甚至在低于地電平時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。兩個(gè)匹配的緩沖 ADC 同時(shí)測(cè)量熱敏電阻器和檢測(cè)電阻器，計(jì)算 (基于標(biāo)準(zhǔn)) 熱敏電阻器的溫度，并以 oC 為單位報(bào)告結(jié)果。不需要大阻值檢測(cè)電阻器，從而允許多個(gè) RTD 和不同類型的熱敏電阻器共用單一檢測(cè)電阻器。LTC2983 還可以視熱敏電阻器輸出電阻的不同，而自動(dòng)設(shè)定不同的激勵(lì)電流范圍。

圖 8：用 LTC2983 測(cè)量熱敏電阻器溫度

LTC2983 包括故障檢測(cè)電路。該器件可確定，檢測(cè)電阻器或熱敏電阻器是否損壞 / 短路。如果所測(cè)溫度高于或低于熱敏電阻器規(guī)定的最大值或最小值，LTC2983 就發(fā)出警報(bào)。熱敏電阻器可用作熱電偶的冷接點(diǎn)傳感器。在這種情況下，3 個(gè) ADC 同時(shí)測(cè)量熱電偶、檢測(cè)電阻器和熱敏電阻器。熱敏電阻器故障信息被傳遞到熱電偶測(cè)量結(jié)果中，熱敏電阻器溫度自動(dòng)用于補(bǔ)償冷接點(diǎn)溫度。

通用測(cè)量系統(tǒng)

LTC2983 可配置為通用溫度測(cè)量電路 (參見圖 9)?？山o單個(gè) LTC2983 加上多達(dá) 4 組通用輸入。每一組輸入都可以直接用來數(shù)字化 3 線 RTD、4 線 RTD、熱敏電阻器或熱電偶，而無需更改任何內(nèi)置硬件。每個(gè)傳感器都可以使用同樣的 4 個(gè) ADC 輸入及保護(hù) / 濾波電路，并可用軟件配置。所有 4 組傳感器都可以共用一個(gè)檢測(cè)電阻器，同時(shí)用一個(gè)二極管測(cè)量冷接點(diǎn)補(bǔ)償。LTC2983 的輸入結(jié)構(gòu)允許任何傳感器連接到任何通道上。在 LTC2983 的任一和所有 21 個(gè)模擬輸入上，可以加上 RTD、檢測(cè)電阻器、熱敏電阻器、熱電偶、二極管和冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)娜我饨M合。

圖 9：通用溫度測(cè)量系統(tǒng)

結(jié)論

LTC2983 是開創(chuàng)性的高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。該器件能夠以實(shí)驗(yàn)室級(jí)精確度直接數(shù)字化熱電偶、RTD、熱敏電阻器和二極管。LTC2983 整合了 3 個(gè) 24 位增量累加 ADC 和一個(gè)專有前端，以解決與溫度測(cè)量有關(guān)的很多典型問題。高輸入阻抗以及在零點(diǎn)輸入范圍允許直接數(shù)字化所有溫度傳感器，并易于進(jìn)行輸入預(yù)測(cè)。20 個(gè)靈活的模擬輸入使得能夠通過一個(gè)簡(jiǎn)單的 SPI 接口重新設(shè)定該器件，因此可用同一種硬件設(shè)計(jì)測(cè)量任何傳感器。LTC2983 自動(dòng)執(zhí)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償，可用任何傳感器測(cè)量冷接點(diǎn)，而且提供故障報(bào)告。該器件可以直接測(cè)量 2、3 或 4 線 RTD，并可非常容易地共用檢測(cè)電阻器以節(jié)省成本，同時(shí)非常容易地輪換電流源，以消除寄生熱效應(yīng)。LTC2983 可自動(dòng)設(shè)定電流源范圍，以提高準(zhǔn)確度、降低與熱敏電阻器測(cè)量有關(guān)的噪聲。LTC2983 允許使用用戶可編程的定制傳感器。基于表的定制 RTD、熱電偶和熱敏電阻器可以設(shè)定到該器件中。LTC2983 在一個(gè)完整的單芯片溫度測(cè)量系統(tǒng)中，整合了高準(zhǔn)確度、易用的傳感器接口，并提供很高的靈活性。