這是兩部分系列文章的第一篇。本文將首先討論基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設計挑戰(zhàn)，以及它與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 的溫度測量系統(tǒng)的比較。它還將概述熱敏電阻的選擇、配置權衡以及 sigma-delta 模數(shù)轉換器 (ADC) 在此應用領域的重要性。第二篇文章將詳細介紹如何優(yōu)化以及如何評估最終的基于熱敏電阻的測量系統(tǒng)。

熱敏電阻與 RTD

如上一篇系列文章“優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng) 傳感系統(tǒng)”中所述，RTD 是一種電阻器，其電阻隨溫度而變化。熱敏電阻的工作方式與 RTD 類似。與僅具有正溫度系數(shù)的 RTD 不同，熱敏電阻可以具有正溫度系數(shù)或負溫度系數(shù)。負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而減小，而正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而增大。圖 1 顯示了典型的 NTC 和 PTC 熱敏電阻的響應特性以及它們與 RTD 曲線的比較。

就溫度范圍而言，RTD 曲線接近線性，由于熱敏電阻的非線性(指數(shù))特性，傳感器覆蓋的溫度范圍比熱敏電阻更廣(通常為 -200°C 至 +850°C)。RTD 通常采用眾所周知的標準曲線，而熱敏電阻曲線則因制造商而異。我們將在本文的熱敏電阻選擇指南部分詳細討論這一點。

圖 1. 熱敏電阻與 RTD 的響應特性。

熱敏電阻由復合材料制成，通常是陶瓷、聚合物或半導體(通常是金屬氧化物)，與由純金屬(鉑、鎳或銅)制成的 RTD 相比，它們體積更小、價格更便宜，但不那么堅固。熱敏電阻可以比 RTD 更快地檢測溫度變化，從而提供更快的反饋。因此，熱敏電阻通常用于需要低成本、小尺寸、更快響應速度、更高靈敏度和溫度范圍受限的應用中，例如監(jiān)控電子設備、家庭和樓宇控制、科學實驗室或商業(yè)或工業(yè)應用中用于熱電偶的冷端補償。

在大多數(shù)情況下，在精密溫度測量應用中，使用的是 NTC 熱敏電阻而不是 PTC 熱敏電阻。有幾種可用的 PTC 熱敏電阻可用于過流輸入保護電路或安全應用的可復位保險絲。PTC 熱敏電阻的電阻-溫度曲線在達到其開關點(或居里點)之前呈現(xiàn)非常小的 NTC 區(qū)域，超過該點后，電阻會在幾攝氏度的范圍內急劇增加幾個數(shù)量級。因此，在過流條件下，PTC 熱敏電阻在開關溫度之外會產生大量自熱，其電阻會急劇增加，從而導致輸入系統(tǒng)的電流減少，從而防止發(fā)生損壞。PTC 熱敏電阻的開關點通常在 60°C 和 120°C 之間，不適合在寬范圍應用中監(jiān)測溫度測量。本文重點介紹通?？梢詼y量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(例如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。這不適合在廣泛應用中監(jiān)測溫度測量。本文重點介紹通常可以測量或監(jiān)測–80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(例如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。這不適合在廣泛應用中監(jiān)測溫度測量。本文重點介紹通常可以測量或監(jiān)測–80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(例如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。本文重點介紹通?？蓽y量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比更簡單，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(例如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。本文重點介紹通?？蓽y量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比更簡單，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(例如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。熱敏電阻每攝氏度的電阻變化比 RTD 更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路比 RTD 簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。熱敏電阻每攝氏度的電阻變化比 RTD 更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路比 RTD 簡單得多，因為熱敏電阻不需要任何特殊的接線配置(如 3 線或 4 線)來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的 2 線配置。

表 1 顯示了 RTD、NTC 和 PTC 熱敏電阻的優(yōu)缺點。

表 1. 熱敏電阻與 RTD

基于熱敏電阻的溫度測量挑戰(zhàn)

基于熱敏電阻的高精度、準確溫度測量需要精確的信號調節(jié)、模數(shù)轉換、線性化和補償，如圖 2 所示。

圖 2. 典型的 NTC 熱敏電阻測量信號鏈塊。

雖然信號鏈看起來簡單明了，但其中涉及的幾個復雜因素也會影響整個系統(tǒng)板的尺寸、成本和性能。ADI 的精密 ADC 產品組合中提供了多種集成解決方案，例如 AD7124-4 / AD7124-8 ，它們在設計溫度系統(tǒng)時具有多種優(yōu)勢，因為應用中所需的大多數(shù)構建模塊都是內置的。然而，設計和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測量解決方案面臨著不同的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)包括：

· 市場上有各種各樣的熱敏電阻。

· 我該如何為我的應用程序選擇正確的一個?

· 與 RTD 一樣，熱敏電阻是無源設備，本身不產生電輸出。激勵電流或電壓用于測量傳感器的電阻，方法是讓小電流通過傳感器產生電壓。

· 如何選擇電流/電壓?

· 應如何調節(jié)熱敏電阻信號?

· 我如何調整上述變量以便轉換器或其他構建塊在其規(guī)格范圍內使用?

· 在系統(tǒng)中連接多個熱敏電阻：傳感器如何連接?不同傳感器之間可以共享某些模塊嗎?對整體系統(tǒng)性能有何影響?

· 對熱敏電阻的主要關注點是其非線性響應和系統(tǒng)精度。

· 我的設計預期的錯誤是什么?

· 使用哪些線性化和補償技術來實現(xiàn)目標性能?

本文討論了每一個挑戰(zhàn)，并提供了有關如何解決這些問題以及進一步簡化此類系統(tǒng)設計進程的建議。

熱敏電阻選擇指南

目前市場上有各種各樣的 NTC 熱敏電阻可供選擇，因此為您的應用選擇特定的熱敏電阻可能非常具有挑戰(zhàn)性。請注意，熱敏電阻按其標稱值列出，即 25°C 時的標稱電阻。因此，10 kΩ 熱敏電阻在 25°C 時的標稱電阻為 10 kΩ。熱敏電阻的標稱或基準電阻值從幾歐姆到 10 MΩ 不等。標稱電阻低(標稱電阻為 10 kΩ 或更低)的熱敏電阻通常支持較低的溫度范圍，例如 -50°C 至 +70°C。標稱電阻較高的熱敏電阻支持高達 300°C 的溫度。

熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有珠狀、徑向和 SMD 形式。珠狀熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂涂層或玻璃封裝，以提供額外保護。環(huán)氧樹脂涂層珠狀熱敏電阻、徑向和 SMD 熱敏電阻適用于高達 150°C 的溫度。玻璃涂層珠狀熱敏電阻適用于高溫測量。所有類型的涂層/包裝也可防止腐蝕。一些熱敏電阻還將具有額外的外殼，以在惡劣環(huán)境中提供進一步的保護。與徑向/SMD 熱敏電阻相比，珠狀熱敏電阻的響應時間更快。但是，它們不那么堅固。因此，要使用的熱敏電阻類型取決于最終應用和熱敏電阻所在的環(huán)境。熱敏電阻的長期穩(wěn)定性取決于其制造材料以及封裝和結構。例如，環(huán)氧樹脂涂層 NTC 熱敏電阻每年變化 0.2°C，而密封熱敏電阻每年僅變化 0.02°C。

熱敏電阻的精度各不相同。標準熱敏電阻的精度通常為 0.5°C 至 1.5°C。熱敏電阻的標稱電阻值和 beta 值(25°C 至 50°C/85°C 關系)存在公差。請注意，熱敏電阻的 beta 值取決于制造商。例如，不同制造商生產的 10 kΩ NTC 熱敏電阻的 beta 值會有所不同。對于精度更高的系統(tǒng)，可以使用 Omega? 44xxx 系列等熱敏電阻。這些熱敏電阻在 0°C 至 70°C 的溫度范圍內的精度為 0.1°C 或 0.2°C。因此，測量的溫度范圍以及溫度范圍內所需的精度決定了熱敏電阻是否適合該應用。請注意，Omega 44xxx 系列越精確，其成本就越高。

因此，要使用的熱敏電阻取決于：

· 測量的溫度范圍

· 要求準確

· 熱敏電阻的使用環(huán)境

· 長期穩(wěn)定性

線性化：Beta 與 Steinhart-Hart 方程

要將電阻轉換為攝氏度，通常使用 beta 值。beta 值是通過了解兩個溫度點以及每個溫度點對應的電阻來確定的。

在哪里：

R T1 = 溫度 1 時的電阻

R T2 = 溫度 2 時的電阻

T 1 = 溫度 1 (K)

T 2 = 溫度 2 (K)

熱敏電阻的數(shù)據(jù)表通常列出兩種情況的 beta 值：

· 兩個溫度分別為 25°C 和 50°C

· 兩個溫度分別為 25°C 和 85°C

用戶使用最接近設計所用溫度范圍的 beta 值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)表都會列出 beta 值以及 25°C 時的電阻公差和 beta 值的公差。

更高精度的熱敏電阻(例如 Omega 44xxx 系列)和更高精度的終端解決方案使用 Steinhart-Hart 方程將電阻轉換為攝氏度。從方程 2 中，需要三個常數(shù) A、B 和 C，這些常數(shù)同樣由傳感器制造商提供。由于方程的系數(shù)是使用三個溫度點生成的，因此所得方程將線性化引入的誤差降至最低(線性化導致的誤差通常為 0.02°C)。

在哪里：

A、B 和 C 是從三個溫度測試點得出的常數(shù)。R

= 熱敏電阻的電阻(單位為 Ω)

T = 溫度(單位為 K 度)

電流/電壓激勵

圖 3 顯示了傳感器的電流激勵。激勵電流施加到熱敏電阻上，相同的電流施加到精密電阻上;精密電阻用作測量的參考。參考電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值(取決于系統(tǒng)中測量的最低溫度)。

圖 3. 熱敏電阻的電流激勵。

在選擇激勵電流的大小時，必須再次考慮熱敏電阻的最大電阻。這可確保傳感器和參考電阻上產生的電壓始終處于電子設備可接受的水平。激勵電流源需要一定的余量或輸出順從性。如果熱敏電阻在測量的最低溫度下具有較大的電阻，則會導致非常低的激勵電流值。因此，在高溫下熱敏電阻上產生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。但是，由于熱敏電阻的信號電平隨溫度變化很大，因此需要動態(tài)編程增益。

另一種選擇是設置增益但使用動態(tài)激勵電流。因此，隨著熱敏電阻信號電平的變化，激勵電流值會動態(tài)變化，從而使熱敏電阻兩端產生的電壓在電子設備指定的輸入范圍內。用戶必須確保參考電阻兩端產生的電壓也處于電子設備可接受的水平。這兩種選擇都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測熱敏電阻兩端的電壓，以確保電子設備可以測量信號。有沒有更簡單的選擇?讓我們看看電壓激勵。

圖4.熱敏電阻的電壓激勵。

當熱敏電阻被恒定電壓激勵時，流過熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻電阻的變化而自動縮放?，F(xiàn)在不再使用參考電阻，而是使用精密檢測電阻，其目的是計算流過熱敏電阻的電流，以便計算熱敏電阻電阻。由于激勵電壓也被用作 ADC 參考，因此無需增益級。在監(jiān)控熱敏電阻兩端的電壓、確定電子器件是否可以測量信號電平以及計算需要調整的增益/激勵電流值方面，處理器沒有工作量。這是本文使用的方法。

熱敏電阻阻值范圍/激勵

如果熱敏電阻的標稱電阻和電阻范圍較小，則可以使用電壓或電流激勵。在這種情況下，激勵電流和增益可以是固定的。因此，電路將如圖 3 所示。這種方法很有用，因為可以控制流過傳感器和參考電阻的電流，這在低功率應用中很有價值。此外，熱敏電阻的自熱也最小化了。

對于標稱阻值較低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵。但是，用戶必須確保通過傳感器的電流對于傳感器本身或應用而言任何時候都不要過大。

當使用標稱電阻大且溫度范圍大的熱敏電阻時，電壓激勵更容易實現(xiàn)。較大的標稱電阻可確保標稱電流處于合理水平。但是，設計人員需要確保電流在應用支持的整個溫度范圍內處于可接受的水平。

Sigma-Delta ADC 在基于熱敏電阻的應用中的重要性

在設計熱敏電阻測量系統(tǒng)時，Sigma-delta ADC 具有多種優(yōu)勢。首先，由于 Sigma-delta ADC 對模擬輸入進行過采樣，因此外部濾波被最小化，只需一個簡單的 RC 濾波器即可。它們在濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率的選擇方面提供了靈活性。內置數(shù)字濾波可用于抑制主電源供電設計中主電源的任何干擾。24 位部件(例如 AD7124-4/AD7124-8)的峰峰值分辨率最高為 21.7 位，因此它們提供了高分辨率。

其他好處包括：

· 模擬輸入的共模范圍較寬

· 參考輸入的寬共模范圍

· 能夠支持比例配置

一些 Σ-Δ ADC 集成度較高，包括：

· 美國職業(yè)高爾夫球協(xié)會

· 內部參考

· 參考/模擬輸入緩沖器

· 校準功能

使用 sigma-delta ADC 可顯著簡化熱敏電阻設計，同時降低 BOM、系統(tǒng)成本、電路板空間并縮短上市時間。

對于本文，AD7124-4/AD7124-8 用作 ADC，因為它們是低噪聲、低電流精密 ADC，具有集成 PGA、嵌入式基準、模擬輸入和基準緩沖器。

熱敏電阻電路配置——比率配置

無論您使用激勵電流還是激勵電壓，建議使用比率配置，其中參考電壓和傳感器電壓來自同一激勵源。這意味著激勵源的任何變化都不會影響測量的準確性。

圖 5 顯示了為熱敏電阻和精密電阻 R REF供電的恒定激勵電流，R REF兩端產生的電壓是熱敏電阻測量的參考電壓。

圖 5. 使用恒流源配置。

激勵電流不需要精確，而且可以不太穩(wěn)定，因為在此配置中激勵電流中的任何誤差都會被抵消。激勵電流通常比電壓激勵更受歡迎，因為它對靈敏度的控制更好，當傳感器位于遠程區(qū)域時，它的抗噪性更好。這種偏置技術通常用于電阻值較低的 RTD 或熱敏電阻。但是，對于電阻值較高且靈敏度較高的熱敏電阻，每次溫度變化產生的信號電平會更大，因此使用電壓激勵。例如，10 kΩ 熱敏電阻在 25°C 時的電阻為 10 kΩ。在 ?50°C 時，NTC 熱敏電阻的電阻為 441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8 提供的最小激勵電流 50 μA 可產生 441 的電壓。117 kΩ × 50 μA = 22 V，這個值太高，超出了該應用領域中使用的大多數(shù)可用 ADC 的工作范圍。熱敏電阻通常也連接或位于電子設備附近，因此不需要激勵電流的抗噪優(yōu)勢。

圖 6 顯示了用于在 NTC 熱敏電阻兩端產生電壓的恒定激勵電壓。

圖6.使用分壓器電路配置。

添加一個以分壓器電路形式出現(xiàn)的串聯(lián)檢測電阻器，將限制流過熱敏電阻器的電流，使其處于最小電阻值。在這種配置中，檢測電阻器 R SENSE的值必須等于熱敏電阻器在基準溫度 25°C 時的電阻值，這樣，當基準溫度為 25°C 時，輸出電壓將設置為參考電壓的中間值。因此，如果使用 10 kΩ 熱敏電阻器，其在 25°C 時的電阻為 10 kΩ，則 R SENSE必須等于10kΩ。當溫度變化時，NTC熱敏電阻的阻值也會變化，熱敏電阻兩端的激勵電壓比例也會變化，從而產生與NTC熱敏電阻阻值成比例的輸出電壓。

如果用于為熱敏電阻和/或 R SENSE供電的選定參考電壓與用于測量的 ADC 參考電壓相同，則系統(tǒng)將配置為比率測量(圖 7)，以便消除與激勵電壓源相關的任何誤差。

圖 7. 熱敏電阻比率配置測量。

請注意，檢測電阻(電壓激勵)或參考電阻(電流激勵)需要具有低初始公差和低漂移，因為這兩個變量都會影響整體系統(tǒng)精度。

當使用多個熱敏電阻時，可以使用單個激勵電壓。但是，每個熱敏電阻必須有自己的精密檢測電阻，如圖 8 所示。另一種選擇是使用外部多路復用器或低導通電阻開關，這樣可以共享單個精密檢測電阻。使用這種配置時，每個熱敏電阻在測量中都需要一定的穩(wěn)定時間。

圖 8. 多個熱敏電阻的模擬輸入配置測量。

總而言之，設計基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時需要考慮多個問題：傳感器選擇、傳感器連接、組件選擇方面的權衡、ADC 配置，以及這些不同變量如何影響整體系統(tǒng)精度。本系列的下一篇文章將解釋如何優(yōu)化系統(tǒng)設計和整體系統(tǒng)誤差預算以實現(xiàn)目標性能。