如何解决了温度传感器测量难题

尽管温度是我们生活的基本方面，但是温度难以准确测量。在现代电子产品时代到来之前，伽利略 (Galileo) 发明了能够检测温度变化的基本温度计。两百年后，席贝克 (Seebeck) 发现了热电偶，这种器件能够产生以不同金属的温度变化率为函数的电压。如今，常常利用热电偶以及受温度影响的电阻元件 (RTD 和热敏电阻器) 和半导体元件 (二极管) 以电子方式测量温度。尽管从这些组件获取温度的方法已为大家熟知，但是以好于 0.5ºC 或 0.1ºC 的准确度测量温度依然富有挑战性 (参见图 1)。

图 1：LTC2983 的温度准确度

张玉兰

2020-8-25 16:31:09

要数字化这些基本传感器元件，就需要专门的模拟威廉希尔官方网站设计、数字威廉希尔官方网站设计和固件开发技术。LTC2983 将这些专门技术整合到单一 IC 中，解决了与热电偶、RTD、热敏电阻器以及二极管有关的每一种独特挑战。该器件整合了每种类型传感器所必需的模拟威廉希尔官方网站和温度测量算法以及线性化数据，以直接测量每种传感器，并以 ºC 为单位输出测量结果。
热电偶概述
热电偶产生的电压是热电偶尖头 (热电偶温度) 和威廉希尔官方网站板上电气连接点 (冷接点温度) 之间温差的函数。为了确定热电偶温度，需要准确测量冷接点温度，这种方法即大家熟知的冷接点补偿。冷接点温度通常由单独放置在冷接点处的温度传感器 (非热电偶) 确定。LTC2983 允许二极管、RTD 和热敏电阻器作为冷接点传感器使用。为了将来自热电偶的电压输出转换成温度，必须求解 (利用表或数学函数) 高阶多项式 (高达 14 阶) 以得到被测电压和冷接点温度。LTC2983 内置了用于所有 8 种标准热电偶 (J、K、N、T、R、S、T 和 B) 的多项式，以及用于定制热电偶的用户设定表数据。LTC2983 同时测量热电偶输出和冷接点温度，并执行所有必需的计算，然后以 ºC 为单位报告热电偶温度。
热电偶：重要的是什么?
热电偶产生的输出电压很低 (满标度时 <100mV) (参见图 2)。由于 ADC 存在偏移和噪声，所以所测量电压值必须很低。此外，该电压是绝对电压读数，需要准确 / 低漂移基准电压。LTC2983 含有一个低噪声、偏移连续校准的 24 位增量累加 ADC (偏移和噪声 <1µV)，并具备最大值为 10ppm/ºC 的基准 (参见图 3)。

图 2：热电偶设计挑战

图 3：采用二极管冷接点补偿的热电偶测量
当热电偶尖头裸露于低于冷接点温度的温度时，热电偶的输出电压还能够低于地。这迫使系统增加第二个负电源或者输入电平移位威廉希尔官方网站，因此使系统变得更加复杂了。LTC2983 纳入了一个专有前端，能够用以地为基准的单一电源对信号进行数字化。
除了提供很高的测量准确度，热电偶威廉希尔官方网站还必须采用噪声抑制、输入保护和抗混叠滤波。LTC2983 的输入阻抗很高，最大输入电流低于 1nA。该器件可以采用外部保护电阻器和滤波电容器，而不会引入额外误差。LTC2983 包含一个内置数字滤波器和对 50Hz 及 60Hz 的 75dB 抑制。
故障检测是很多热电偶测量系统的重要功能。最常见的故障是开路 (热电偶损坏或未插入)。过去，在热电偶输入端加上电流源或上拉电阻器以检测这类故障。这种方式的问题是，这些感应信号导致误差和噪声，并与输入保护威廉希尔官方网站相互作用。LTC2983 包括一个独特的开路检测威廉希尔官方网站，该威廉希尔官方网站可在测量周期开始前一刻检查热电偶是否损坏。在这种情况下，开路激励电流 / 电阻器不干扰测量准确度。LTC2983 还报告与冷接点传感器有关的故障。该器件还检测、报告静电放电 (ESD) 事件，并能够从这类事件中恢复，当在工业环境中使用较长的传感器连线时，有可能发生这类事件。LTC2983 还通过其故障报告指示，所测温度是否高于 / 低于特定热电偶预期的温度范围。
二极管概述
二极管是可用作温度传感器的低价半导体器件。这类器件一般用作热电偶的冷接点传感器。当给二极管加上激励电流时，二极管产生的电压是温度以及所加电流的函数。如果将两个完美匹配、已知比率的激励电流源加到二极管上，那么输出就是可知与温度成比例 (PTAT) 的电压。
二极管：重要的是什么?
为了产生具备已知比例的 PTAT 电压，需要两个高度匹配、成比例的电流源 (参见图 4)。LTC2983 依靠增量累加过采样架构准确地产生这一比率。连接到该 ADC 的二极管和引线含有未知的寄生二极管效应。LTC2983 提供 3 电流测量模式，消除了寄生引线电阻。不同二极管制造商规定了不同的二极管非理想系数。LTC2983 允许单独设定每个二极管的非理想系数。因为测量的是绝对电压，ADC 基准电压的值和漂移都是关键。LTC2983 包含在工厂中微调过最大值为 10ppm/ºC 的基准。
LTC2983 自动产生成比例的电流、测量所产生的二极管电压、利用所设定的非理想性数据计算温度并以 ºC 为单位输出结果。该器件还可以用作热电偶的冷接点传感器。如果二极管损坏、短路或插入不正确，那么如果用 LTC2983 测量冷接点温度，LTC2983 就会检测这种故障，并在转换结果输出字以及相应的热电偶测量结果中报告该故障。

图 4：二极管设计挑战
RTD：概述
RTD 是电阻值随温度变化而改变的电阻器。为了测量一个 RTD，将一个准确已知的低漂移检测电阻器串联连接至该 RTD。给该网络加上激励电流并进行比例式测量。RTD 的电阻值以欧姆为单位，可根据这一比率确定。然后通过查表，用这个电阻值确定传感器元件的温度。LTC2983 自动地产生激励电流，同时测量检测电阻器和 RTD 电压，计算传感器电阻，并以 ºC 为单位报告结果。RTD 可以在很宽的温度范围内测量温度，从低至 -200ºC 到高达 850ºC。LTC2983 可数字化大多数类型的 RTD (PT-10、PT-50、PT-100、PT-200、PT-500、PT-1000 和 NI-120)，针对很多标准内置了系数 (美国、欧洲、日本和 ITS-90 标准)，并面向定制 RTD 提供用户设定的表数据。
RTD：重要的是什么?
典型 PT100 RTD (参见图 5) 的电阻值在温度每变化 1/10ºC 时变化不到 0.04Ω，在 100µA 电流激励时对应 4µV 信号电平。低 ADC 偏移和噪声对于准确测量是至关重要。测量相对于检测电阻器而言是比例式的，不过在计算温度时，激励电流和基准电压的绝对值不那么重要。

图 5：RTD 设计挑战
以前，RTD 和检测电阻器之间的比例式测量是用单个 ADC 执行的。检测电阻器的压降用作测量 RTD 压降的 ADC 之基准输入。这种架构需要 10KΩ 或更大的检测电阻器，因此需要缓冲，以防止由 ADC 基准输入动态电流导致的压降。既然检测电阻器的值至关重要，那么缓冲器就必须是低偏移、低漂移和低噪声的。这种架构使电流源难以轮换，以消除寄生热电偶效应。增量累加 ADC 的基准输入更易于受到噪声而不是输入的影响，而且低基准电压值可能导致不稳定性。LTC2983 的多 ADC 架构解决了所有这些问题 (参见图 6)。LTC2983 运用了两个高度匹配、有缓冲和自动校准的 ADC，一个用于 RTD，另一个用于检测电阻器。这些 ADC 同时测量 RTD 和 RSENSE，计算 RTD 电阻，并依据这些数据查一个基于 ROM 的表，最终以 ºC 为单位输出 RTD 温度。

图 6：用 LTC2983 测量 RTD 温度
RTD 有很多种配置：2 线、3 线和 4 线。LTC2983 以可配置的单一硬件解决方案提供所有 3 种配置。该器件可在多个 RTD 之间共享单一检测电阻器。其高阻抗输入允许在 RTD 和 ADC 输入之间接入外部保护威廉希尔官方网站，而不会引入误差。该器件还可以自动轮换电流激励，以消除外部热误差 (寄生热电偶)。在检测电阻器的寄生引线电阻降低性能的情况下，LTC2983 允许用 Rsense 进行开尔文检测。
LTC2983 包括故障检测威廉希尔官方网站。该器件可以确定，检测电阻器或 RTD 是否损坏或短路。如果所测温度高于或低于 RTD 规定的最高或最低温度，LTC2983 就发出警告。当 RTD 用作热电偶的冷接点传感器时，3 个 ADC 同时测量热电偶、检测电阻器和 RTD。RTD 故障信息传递到热电偶测量结果中，同时 RTD 温度自动地用来补偿冷接点温度。

要数字化这些基本传感器元件，就需要专门的模拟威廉希尔官方网站设计、数字威廉希尔官方网站设计和固件开发技术。LTC2983 将这些专门技术整合到单一 IC 中，解决了与热电偶、RTD、热敏电阻器以及二极管有关的每一种独特挑战。该器件整合了每种类型传感器所必需的模拟威廉希尔官方网站和温度测量算法以及线性化数据，以直接测量每种传感器，并以 ºC 为单位输出测量结果。
热电偶概述
热电偶产生的电压是热电偶尖头 (热电偶温度) 和威廉希尔官方网站板上电气连接点 (冷接点温度) 之间温差的函数。为了确定热电偶温度，需要准确测量冷接点温度，这种方法即大家熟知的冷接点补偿。冷接点温度通常由单独放置在冷接点处的温度传感器 (非热电偶) 确定。LTC2983 允许二极管、RTD 和热敏电阻器作为冷接点传感器使用。为了将来自热电偶的电压输出转换成温度，必须求解 (利用表或数学函数) 高阶多项式 (高达 14 阶) 以得到被测电压和冷接点温度。LTC2983 内置了用于所有 8 种标准热电偶 (J、K、N、T、R、S、T 和 B) 的多项式，以及用于定制热电偶的用户设定表数据。LTC2983 同时测量热电偶输出和冷接点温度，并执行所有必需的计算，然后以 ºC 为单位报告热电偶温度。
热电偶：重要的是什么?
热电偶产生的输出电压很低 (满标度时 <100mV) (参见图 2)。由于 ADC 存在偏移和噪声，所以所测量电压值必须很低。此外，该电压是绝对电压读数，需要准确 / 低漂移基准电压。LTC2983 含有一个低噪声、偏移连续校准的 24 位增量累加 ADC (偏移和噪声 <1µV)，并具备最大值为 10ppm/ºC 的基准 (参见图 3)。

图 2：热电偶设计挑战

图 3：采用二极管冷接点补偿的热电偶测量
当热电偶尖头裸露于低于冷接点温度的温度时，热电偶的输出电压还能够低于地。这迫使系统增加第二个负电源或者输入电平移位威廉希尔官方网站，因此使系统变得更加复杂了。LTC2983 纳入了一个专有前端，能够用以地为基准的单一电源对信号进行数字化。
除了提供很高的测量准确度，热电偶威廉希尔官方网站还必须采用噪声抑制、输入保护和抗混叠滤波。LTC2983 的输入阻抗很高，最大输入电流低于 1nA。该器件可以采用外部保护电阻器和滤波电容器，而不会引入额外误差。LTC2983 包含一个内置数字滤波器和对 50Hz 及 60Hz 的 75dB 抑制。
故障检测是很多热电偶测量系统的重要功能。最常见的故障是开路 (热电偶损坏或未插入)。过去，在热电偶输入端加上电流源或上拉电阻器以检测这类故障。这种方式的问题是，这些感应信号导致误差和噪声，并与输入保护威廉希尔官方网站相互作用。LTC2983 包括一个独特的开路检测威廉希尔官方网站，该威廉希尔官方网站可在测量周期开始前一刻检查热电偶是否损坏。在这种情况下，开路激励电流 / 电阻器不干扰测量准确度。LTC2983 还报告与冷接点传感器有关的故障。该器件还检测、报告静电放电 (ESD) 事件，并能够从这类事件中恢复，当在工业环境中使用较长的传感器连线时，有可能发生这类事件。LTC2983 还通过其故障报告指示，所测温度是否高于 / 低于特定热电偶预期的温度范围。
二极管概述
二极管是可用作温度传感器的低价半导体器件。这类器件一般用作热电偶的冷接点传感器。当给二极管加上激励电流时，二极管产生的电压是温度以及所加电流的函数。如果将两个完美匹配、已知比率的激励电流源加到二极管上，那么输出就是可知与温度成比例 (PTAT) 的电压。
二极管：重要的是什么?
为了产生具备已知比例的 PTAT 电压，需要两个高度匹配、成比例的电流源 (参见图 4)。LTC2983 依靠增量累加过采样架构准确地产生这一比率。连接到该 ADC 的二极管和引线含有未知的寄生二极管效应。LTC2983 提供 3 电流测量模式，消除了寄生引线电阻。不同二极管制造商规定了不同的二极管非理想系数。LTC2983 允许单独设定每个二极管的非理想系数。因为测量的是绝对电压，ADC 基准电压的值和漂移都是关键。LTC2983 包含在工厂中微调过最大值为 10ppm/ºC 的基准。
LTC2983 自动产生成比例的电流、测量所产生的二极管电压、利用所设定的非理想性数据计算温度并以 ºC 为单位输出结果。该器件还可以用作热电偶的冷接点传感器。如果二极管损坏、短路或插入不正确，那么如果用 LTC2983 测量冷接点温度，LTC2983 就会检测这种故障，并在转换结果输出字以及相应的热电偶测量结果中报告该故障。

图 4：二极管设计挑战
RTD：概述
RTD 是电阻值随温度变化而改变的电阻器。为了测量一个 RTD，将一个准确已知的低漂移检测电阻器串联连接至该 RTD。给该网络加上激励电流并进行比例式测量。RTD 的电阻值以欧姆为单位，可根据这一比率确定。然后通过查表，用这个电阻值确定传感器元件的温度。LTC2983 自动地产生激励电流，同时测量检测电阻器和 RTD 电压，计算传感器电阻，并以 ºC 为单位报告结果。RTD 可以在很宽的温度范围内测量温度，从低至 -200ºC 到高达 850ºC。LTC2983 可数字化大多数类型的 RTD (PT-10、PT-50、PT-100、PT-200、PT-500、PT-1000 和 NI-120)，针对很多标准内置了系数 (美国、欧洲、日本和 ITS-90 标准)，并面向定制 RTD 提供用户设定的表数据。
RTD：重要的是什么?
典型 PT100 RTD (参见图 5) 的电阻值在温度每变化 1/10ºC 时变化不到 0.04Ω，在 100µA 电流激励时对应 4µV 信号电平。低 ADC 偏移和噪声对于准确测量是至关重要。测量相对于检测电阻器而言是比例式的，不过在计算温度时，激励电流和基准电压的绝对值不那么重要。

图 5：RTD 设计挑战
以前，RTD 和检测电阻器之间的比例式测量是用单个 ADC 执行的。检测电阻器的压降用作测量 RTD 压降的 ADC 之基准输入。这种架构需要 10KΩ 或更大的检测电阻器，因此需要缓冲，以防止由 ADC 基准输入动态电流导致的压降。既然检测电阻器的值至关重要，那么缓冲器就必须是低偏移、低漂移和低噪声的。这种架构使电流源难以轮换，以消除寄生热电偶效应。增量累加 ADC 的基准输入更易于受到噪声而不是输入的影响，而且低基准电压值可能导致不稳定性。LTC2983 的多 ADC 架构解决了所有这些问题 (参见图 6)。LTC2983 运用了两个高度匹配、有缓冲和自动校准的 ADC，一个用于 RTD，另一个用于检测电阻器。这些 ADC 同时测量 RTD 和 RSENSE，计算 RTD 电阻，并依据这些数据查一个基于 ROM 的表，最终以 ºC 为单位输出 RTD 温度。

图 6：用 LTC2983 测量 RTD 温度
RTD 有很多种配置：2 线、3 线和 4 线。LTC2983 以可配置的单一硬件解决方案提供所有 3 种配置。该器件可在多个 RTD 之间共享单一检测电阻器。其高阻抗输入允许在 RTD 和 ADC 输入之间接入外部保护威廉希尔官方网站，而不会引入误差。该器件还可以自动轮换电流激励，以消除外部热误差 (寄生热电偶)。在检测电阻器的寄生引线电阻降低性能的情况下，LTC2983 允许用 Rsense 进行开尔文检测。
LTC2983 包括故障检测威廉希尔官方网站。该器件可以确定，检测电阻器或 RTD 是否损坏或短路。如果所测温度高于或低于 RTD 规定的最高或最低温度，LTC2983 就发出警告。当 RTD 用作热电偶的冷接点传感器时，3 个 ADC 同时测量热电偶、检测电阻器和 RTD。RTD 故障信息传递到热电偶测量结果中，同时 RTD 温度自动地用来补偿冷接点温度。

张玲

2020-8-25 16:31:15

热敏电阻器概述
热敏电阻器是电阻值随温度变化而改变的电阻器。与 RTD 不同，热敏电阻器的电阻值在其温度变化范围内的变化可以达到多个量级。为了测量热敏电阻器，要给传感器串联连接一个检测电阻器。给该网络加上激励电流，并进行比例式测量。热敏电阻器的电阻值以欧姆为单位，可以根据这个比率确定。这个电阻值用来确定传感器的温度，进而求解 Steinhart-Hart 方程或查询表数据。LTC2983 自动地产生激励电流，同时测量检测电阻器和热敏电阻器电压，计算热敏电阻器的电阻，并以 ºC 为单位报告结果。热敏电阻器一般在 -40ºC 至 150ºC 温度范围内工作。LTC2983 包含计算 2.252kΩ、3kΩ、5kΩ、10kΩ 和 30kΩ 标准热敏电阻器温度所需的系数。因为有多种类型和电阻值的热敏电阻器，所以LTC2983 可用定制热敏电阻器表数据 (R 和 T) 或Steinhart-Hart 系数来设定。
热敏电阻器：重要的是什么?
热敏电阻器的电阻值 (参见图 7) 在其温度变化范围内的变化可以达到多个量级。例如，一个在室温时 10kΩ 的热敏电阻器在最高温度时可能低至 100Ω，而在最低温度时可能 >300kΩ，而其他热敏电阻器标准可能达至 1MΩ 以上。

图 7：热敏电阻器设计挑战
典型情况下，为了适应大阻值电阻，会使用电流非常小的激励电流源和阻值较大的检测电阻器。这导致在热敏电阻器阻值范围的低端，信号电平非常低。需要输入缓冲器和基准缓冲器隔离 ADC 的动态输入电流和这些较大的电阻器。但是如果没有单独的电源，缓冲器在靠近地时工作不是很好，而且需要最大限度减小偏移 / 噪声误差。LTC2983 解决了所有这些问题 (参见图 8)。该器件整合了一个连续校准的专有缓冲器和多 ADC 架构，该缓冲器能够在地电平甚至在低于地电平时对信号进行数字化。两个匹配的缓冲 ADC 同时测量热敏电阻器和检测电阻器，计算 (基于标准) 热敏电阻器的温度，并以 ºC 为单位报告结果。不需要大阻值检测电阻器，从而允许多个 RTD 和不同类型的热敏电阻器共用单一检测电阻器。LTC2983 还可以视热敏电阻器输出电阻的不同，而自动设定不同的激励电流范围。

图 8：用 LTC2983 测量热敏电阻器温度
LTC2983 包括故障检测威廉希尔官方网站。该器件可确定，检测电阻器或热敏电阻器是否损坏 / 短路。如果所测温度高于或低于热敏电阻器规定的最大值或最小值，LTC2983 就发出警报。热敏电阻器可用作热电偶的冷接点传感器。在这种情况下，3 个 ADC 同时测量热电偶、检测电阻器和热敏电阻器。热敏电阻器故障信息被传递到热电偶测量结果中，热敏电阻器温度自动用于补偿冷接点温度。
通用测量系统
LTC2983 可配置为通用温度测量威廉希尔官方网站 (参见图 9)。可给单个 LTC2983 加上多达 4 组通用输入。每一组输入都可以直接用来数字化 3 线 RTD、4 线 RTD、热敏电阻器或热电偶，而无需更改任何内置硬件。每个传感器都可以使用同样的 4 个 ADC 输入及保护 / 滤波威廉希尔官方网站，并可用软件配置。所有 4 组传感器都可以共用一个检测电阻器，同时用一个二极管测量冷接点补偿。LTC2983 的输入结构允许任何传感器连接到任何通道上。在 LTC2983 的任一和所有 21 个模拟输入上，可以加上 RTD、检测电阻器、热敏电阻器、热电偶、二极管和冷接点补偿的任意组合。

图 9：通用温度测量系统
结论
LTC2983 是开创性的高性能温度测量系统。该器件能够以实验室级精确度直接数字化热电偶、RTD、热敏电阻器和二极管。LTC2983 整合了 3 个 24 位增量累加 ADC 和一个专有前端，以解决与温度测量有关的很多典型问题。高输入阻抗以及在零点输入范围允许直接数字化所有温度传感器，并易于进行输入预测。20 个灵活的模拟输入使得能够通过一个简单的 SPI 接口重新设定该器件，因此可用同一种硬件设计测量任何传感器。LTC2983 自动执行冷接点补偿，可用任何传感器测量冷接点，而且提供故障报告。该器件可以直接测量 2、3 或 4 线 RTD，并可非常容易地共用检测电阻器以节省成本，同时非常容易地轮换电流源，以消除寄生热效应。LTC2983 可自动设定电流源范围，以提高准确度、降低与热敏电阻器测量有关的噪声。LTC2983 允许使用用户可编程的定制传感器。基于表的定制 RTD、热电偶和热敏电阻器可以设定到该器件中。LTC2983 在一个完整的单芯片温度测量系统中，整合了高准确度、易用的传感器接口，并提供很高的灵活性。

李晔皓

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