高精度的溫度傳感電路設(shè)計
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在這篇文章中，我們將介紹使用這些傳感器進行精密溫度測量電路設(shè)計的要點。溫度傳感電路設(shè)計包括：正確選擇合適的溫度感應(yīng)器以及必要的信號調(diào)節(jié)器和數(shù)字化器件產(chǎn)品，以便更有效地、更準確地測量溫度數(shù)值。
在我們介紹溫度測量系統(tǒng)之前,我們先來看看常見的傳統(tǒng)溫度傳感器設(shè)計電路的優(yōu)點及缺點。
傳統(tǒng)熱電偶傳感器設(shè)計電路
熱電偶傳感器工作的原理是當溫度不同時，兩種不同成分的金屬的接合點之間產(chǎn)生電壓（或稱為電動勢）。一個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)生電動勢。這種電動勢可以用測量電路測量得到。圖1顯示的是一個基本的熱電偶傳感器電路。
圖1：基本的熱電偶傳感器設(shè)計電路
熱電偶傳感器的主要優(yōu)勢是他們的魯棒性（在異常和危險情況下系統(tǒng)恢復(fù)正常運轉(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。
電阻式溫度檢測傳感器設(shè)計電路
電阻式溫度檢測傳感器（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特的電阻率特性，所以當溫度變化時檢測金屬電阻的變化，從而得到溫度測量數(shù)值。金屬的電阻是和它自己的長度成正比、和截面積成反比的。這個比例數(shù)值取決于傳感器本身金屬材質(zhì)的電阻率大小。
為了更精確的測量溫度，RTD構(gòu)造里金屬材料的選擇就成了一個比較關(guān)鍵的考慮因素。用于電阻式溫度檢測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，可保證長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。這些電阻式溫度檢測傳感器主要優(yōu)點還有寬溫范圍(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)計電路
和電阻式溫度檢測傳感器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可計算的負溫度系數(shù)。熱敏電阻傳感器的主要優(yōu)勢是它們的價格低并且精度可以接受。它們的缺點是溫度范圍非線性。然而，鑒于當今許多微控制器芯片上都有片上閃存，可以建立一個可查詢糾錯的數(shù)據(jù)表來減少非線性問題帶來的精度影響范圍。如果需要測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量設(shè)備。
溫度測量系統(tǒng)
在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器必須把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)階段(信號處理取決于不同的傳感器)，然后送到一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，進行轉(zhuǎn)換得到數(shù)值。系統(tǒng)還需要通信外設(shè)電路來和其它大的設(shè)備接口連接以便提供反饋，或者將數(shù)值送至片上閃存來存儲測量值或者進行必要的顯示。圖2顯示了溫度測量系統(tǒng)的基本框圖。
圖2：溫度測量系統(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)勢造成的。它的基本原理是通過測量接合點電動勢來感應(yīng)溫度。但它需要一個假設(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溫度是不切合實際的。為了實現(xiàn)精確測量，需要應(yīng)用一種技術(shù)手段，我們可以稱之為冷端補償(CJC)。
為了進行冷端補償，基于熱電偶的精密溫度測量系統(tǒng)里附加了一個溫度傳感器(安裝在冷端的頂頭)來測量冷端的溫度。冷端的溫度測量最常用的是熱敏電阻傳感器，因為其成本低，溫度范圍可以覆蓋冷端溫度，滿足大多數(shù)應(yīng)用。為了測量CJC電壓、先要找冷端溫度，然后檢查熱電偶電動勢來求得溫度。加上冷端電壓后產(chǎn)生出CJC電壓，其相應(yīng)的溫度就是實際溫度。
熱電偶產(chǎn)生的電動勢只有幾uV，這使它很容易受到噪聲干擾。并且，在這個信號傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，它需要被放大(這同時也會增加噪聲和偏移)。在精密測量中，應(yīng)該去除這類噪聲和偏移。我們舉例來說明如何使用相關(guān)雙抽樣方法(CDS)消除偏移和減少低頻噪聲。
CDS可以在信號處理階段減少低頻噪聲和偏移。首先，測量零參考偏移（兩個輸入都短路就可以測量到)，然后測量熱電偶電壓。當直接用熱電偶信號測量時，它包括實際熱電偶電壓、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)值和目前零參考測量數(shù)值的關(guān)系是:
(方程3) VZero_ref_Prev = (VN + Voffset)*Z-1
那么，當前的熱電偶測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，因為它是噪聲和漂移，所以需要被去除。從當前取樣值中減去前面的噪聲值將會去除低頻噪聲。由此可見，相關(guān)的雙抽樣方法CDS工作起來就像是高通濾波器。EECOL_2011Mar09_DSP_TA_50.pdf
模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的本身有一個低通濾波來去除高頻噪聲。然而，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸出端的IIR濾波器將有助于進一步弱化經(jīng)過它或傳輸給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的噪聲頻帶。市面上的混合信號控制器都可配置數(shù)字濾波器，它可以通過器件本身硬件處理過濾而無需在固件電路上進行過濾從而可以節(jié)省CPU周期。圖3所示實現(xiàn)了一個基于熱電偶的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，它使用了賽普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件來實現(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放大信號，內(nèi)置了數(shù)字濾波器模塊(DFB)來濾波。它提供了一個高度集成的溫度測量系統(tǒng)。然而，由于設(shè)計中有熱電偶，所以可能需要附加一個增益段。這個增益可以通過一個放大器來實現(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量系統(tǒng)電路
RTD和熱敏電阻溫度傳感器設(shè)計電路
使用電阻式溫度檢測器（RTD）和熱敏電阻測量溫度時需要測量電阻，所以測量的方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的精度。為了測量到精確的信號，應(yīng)該
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