作者：Jellenie RodriguezandMary McCarthy

介紹

這是由兩部分組成的系列文章中的第一篇文章。第1部分將首先討論基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設(shè)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(quán)衡以及Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在該應(yīng)用領(lǐng)域中的重要性。第2部分將詳細介紹如何優(yōu)化以及如何評估基于熱敏電阻的最終測量系統(tǒng)。

熱敏電阻與RTD

如文章“如何選擇和設(shè)計最佳RTD溫度檢測系統(tǒng)”中所述，RTD是一種電阻器，其電阻隨溫度的變化而變化。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或負溫度系數(shù)。負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻隨著溫度的升高而降低其電阻，而正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻隨著溫度的升高而增加其電阻。圖1顯示了典型NTC和PTC熱敏電阻的響應(yīng)特性，以及它們與RTD曲線的比較情況。

圖1.熱敏電阻與RTD的響應(yīng)特性

在溫度范圍方面，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寬得多（通常為–200°C至+850°C）。RTD通常以眾所周知的標準化曲線提供，而熱敏電阻曲線因制造商而異。我們將在本文的熱敏電阻選擇指南部分詳細討論這一點。

熱敏電阻由復(fù)合材料組成，通常是陶瓷、聚合物或半導(dǎo)體（通常是金屬氧化物），與純金屬（鉑、鎳或銅）制成的RTD相比，它們更小、更便宜，但并不堅固。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，熱敏電阻是需要低成本、小尺寸、更快響應(yīng)速率、更高靈敏度和溫度范圍受限的應(yīng)用中使用的傳感器，例如監(jiān)控電子設(shè)備、家庭和樓宇控制、科學實驗室或商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中用于熱電偶的冷端補償。

在大多數(shù)情況下，NTC熱敏電阻而不是PTC熱敏電阻用于精密溫度測量應(yīng)用。有一些可用的PTC熱敏電阻用于過流輸入保護電路或作為安全應(yīng)用的可復(fù)位保險絲。PTC熱敏電阻的電阻溫度曲線在達到其開關(guān)點（或居里點）之前表現(xiàn)出非常小的NTC區(qū)域，超過該區(qū)域，電阻在幾攝氏度的跨度內(nèi)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(guān)溫度之外將具有很高的自發(fā)熱，其電阻將急劇增加，從而導(dǎo)致輸入到系統(tǒng)的電流減少，從而防止損壞發(fā)生。PTC熱敏電阻的開關(guān)點通常在60°C至120°C之間，不適合在寬范圍應(yīng)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熱敏電阻的標稱電阻為25°C，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為顯著。與RTD相比，熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路更簡單，因為熱敏電阻不需要任何特殊的布線配置，例如3線或4線來補償引線電阻。熱敏電阻設(shè)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。

基于熱敏電阻的溫度測量挑戰(zhàn)

基于熱敏電阻的高精度和精確溫度測量需要精確的信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和補償，如圖2所示。雖然信號鏈看起來簡單明了，但涉及幾個復(fù)雜的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(chǎn)品組合中提供多種集成解決方案，例如AD7124-4/AD7124-8，由于應(yīng)用所需的大多數(shù)構(gòu)建模塊都是內(nèi)置的，因此在設(shè)計溫度系統(tǒng)時具有多種優(yōu)勢。然而，設(shè)計和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測量解決方案存在不同的挑戰(zhàn)。

圖2.典型的NTC熱敏電阻測量信號鏈模塊。

挑戰(zhàn)包括：

市場上有各種各樣的熱敏電阻。

如何為我的應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品？

與RTD一樣，熱敏電阻是無源器件，不會自行產(chǎn)生電輸出。激勵電流或電壓用于通過小電流通過傳感器以產(chǎn)生電壓來測量傳感器的電阻。

如何選擇電流/電壓？

熱敏電阻信號應(yīng)該如何調(diào)節(jié)？

如何調(diào)整上述變量，以便轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建塊在其規(guī)范范圍內(nèi)使用？

連接系統(tǒng)中的多個熱敏電阻：傳感器是如何連接的？某些塊可以在不同的傳感器之間共享嗎？對整體系統(tǒng)性能有何影響？

熱敏電阻的主要關(guān)注點是其非線性響應(yīng)和系統(tǒng)精度。

我的設(shè)計的預(yù)期誤差是多少？

使用哪些線性化和補償技術(shù)來實現(xiàn)目標性能？

本文討論了這些挑戰(zhàn)中的每一個，并就如何解決這些問題并進一步簡化設(shè)計此類系統(tǒng)的過程提供了建議。

熱敏電阻選型指南

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(yīng)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極電阻值從幾歐姆到10 MΩ。具有低標稱電阻（10 kΩ或更小標稱電阻）的熱敏電阻通常支持較低的溫度范圍，例如–50°C至+70°C。 具有較高標稱電阻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。熱敏電阻有磁珠、徑向和SMD形式。磁珠熱敏電阻采用環(huán)氧涂層或玻璃封裝，可提供額外保護。環(huán)氧樹脂涂層磁珠熱敏電阻、徑向和 SMD 熱敏電阻適用于高達 150°C 的溫度。 玻璃鍍膜珠子熱敏電阻適用于高溫測量。所有類型的涂層/包裝還可以防止腐蝕。一些熱敏電阻還將具有額外的外殼，以在惡劣環(huán)境中增加進一步的保護。磁珠熱敏電阻比徑向/SMD熱敏電阻具有更快的響應(yīng)時間。但是，它們并不那么強大。因此，使用的熱敏電阻類型取決于最終應(yīng)用和熱敏電阻所在的環(huán)境。熱敏電阻的長期穩(wěn)定性取決于其材料及其封裝和結(jié)構(gòu)。例如，環(huán)氧樹脂涂層NTC熱敏電阻每年可變化0.2°C，而密封熱敏電阻每年僅變化0.02°C。

熱敏電阻具有不同的精度。標準熱敏電阻的精度通常為0.5°C至1.5°C。 熱敏電阻對其標稱電阻值和β值（25°C至50°C/85°C關(guān)系）具有容差。請注意，熱敏電阻的β值取決于制造商。例如，來自不同制造商的10 kΩ NTC熱敏電阻將具有不同的β值。對于更高精度的系統(tǒng)，可以使用Omega? 44xxx系列等熱敏電阻。在 0°C 至 70°C 的溫度范圍內(nèi)，它們的精度為 0.1°C 或 0.2°C。 因此，被測量的溫度范圍以及整個溫度范圍內(nèi)所需的精度決定了熱敏電阻是否適合該應(yīng)用。請注意，歐米茄44xxx系列越準確，其成本就越高。

因此，要使用的熱敏電阻取決于：

被測溫度范圍

所需的精度

使用熱敏電阻的環(huán)境

長期穩(wěn)定性

線性化：貝塔與斯坦哈特-哈特方程

要從電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度，通常使用貝塔值。β值是通過知道兩個溫度點和每個溫度點的相應(yīng)電阻來確定的。

哪里：

RT1= 溫度 1 時的電阻

RT2= 溫度 2 時的電阻

T1= 溫度 1 （K） T2= 溫度 2 （K）

熱敏電阻的數(shù)據(jù)手冊通常列出兩種情況下的β值：

兩種溫度分別為25°C和50°C

兩種溫度分別為25°C和85°C

用戶使用最接近設(shè)計中使用的溫度范圍的 beta 值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊列出了β值以及25°C時的電阻容差和β值的容差。

Omega 44xxx系列等更高精度熱敏電阻和更高精度的終端解決方案使用斯坦哈特-哈特方程從電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度。從公式2中可以看出，需要三個常數(shù)——A、B和C，傳感器制造商再次提供這些常數(shù)。由于方程的系數(shù)是使用三個溫度點生成的，因此得到的方程將線性化引起的誤差降至最低（線性化引起的誤差通常為0.02°C）。

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（Ω

T = 溫度，單位為 K

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，相同的電流施加到精密電阻器;用作測量基準的精密電阻。基準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）。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。這可確保傳感器和基準電阻兩端產(chǎn)生的電壓始終處于電子設(shè)備可接受的水平。激勵電流源需要一定的裕量或輸出一致性。如果熱敏電阻在被測的最低溫度下具有較大的電阻，則會導(dǎo)致激勵電流值非常低。因此，在高溫下，熱敏電阻兩端產(chǎn)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，增益需要動態(tài)編程，因為來自熱敏電阻的信號電平隨溫度變化顯著。

圖3.熱敏電阻的電流激勵。

另一種選擇是設(shè)置增益，但使用動態(tài)激勵電流。因此，當來自熱敏電阻的信號電平發(fā)生變化時，激勵電流值會動態(tài)變化，從而使熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓在電子設(shè)備的指定輸入范圍內(nèi)。用戶必須確保基準電阻兩端產(chǎn)生的電壓也處于電子設(shè)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)控熱敏電阻兩端的電壓，以確保電子設(shè)備可以測量信號。有更簡單的選擇嗎？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，通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。現(xiàn)在不再使用基準電阻，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。由于激勵電壓也用作ADC基準，因此無需增益級。在監(jiān)控熱敏電阻兩端的電壓、確定信號電平是否可以由電子設(shè)備測量以及計算需要調(diào)整的增益/激勵電流值方面，處理器沒有工作量。這是本文中使用的方法。

熱敏電阻電阻范圍/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固定。因此，電路如圖3所示。這種方法很有用，因為流過傳感器和基準電阻的電流是可以控制的，這在低功耗應(yīng)用中很有價值。此外，熱敏電阻的自發(fā)熱也降至最低。

也可以對標稱電阻較低的熱敏電阻使用電壓激勵。但是，用戶必須確保通過傳感器的電流在任何時候都不會太大，對于傳感器本身或應(yīng)用而言。

當使用具有大標稱電阻和大溫度范圍的熱敏電阻時，電壓激勵使實現(xiàn)更容易。較大的標稱電阻可確保標稱電流處于合理水平。但是，設(shè)計人員需要確保電流在應(yīng)用支持的整個溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

Σ-Δ型ADC在基于熱敏電阻的應(yīng)用中的重要性

Σ-Δ型ADC在設(shè)計熱敏電阻測量系統(tǒng)時具有多種優(yōu)勢。首先，由于Σ-Δ型ADC對模擬輸入進行過采樣，因此外部濾波被最小化，唯一的要求是一個簡單的RC濾波器。它們在選擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率方面提供了靈活性。內(nèi)置數(shù)字濾波可用于抑制市電供電設(shè)計中來自主電源的任何干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率最大為21.7位，因此具有高分辨率。

其他好處是：

模擬輸入的寬共模范圍

基準輸入的寬共模范圍

能夠支持比率配置

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括：

職業(yè)高爾夫球協(xié)會

內(nèi)部參考

基準/模擬輸入緩沖器

校準功能

使用Σ-Δ型ADC可顯著簡化熱敏電阻設(shè)計，同時降低BOM、系統(tǒng)成本、電路板空間和上市時間。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作為ADC，因為它們是低噪聲、低電流精密ADC，集成PGA、嵌入式基準電壓源、模擬輸入和基準電壓緩沖器。

熱敏電阻電路配置 — 比率式配置

無論使用激勵電流還是激勵電壓，都建議使用比率配置，其中基準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精度。

圖5顯示了為熱敏電阻和精密電阻R供電的恒定激勵電流裁判，R兩端產(chǎn)生的電壓裁判作為熱敏電阻測量的基準電壓。激勵電流不需要精確，并且可能不太穩(wěn)定，因為在此配置中將消除激勵電流中的任何誤差。激勵電流通常優(yōu)于電壓激勵，因為它對靈敏度的出色控制，并且當傳感器位于偏遠地區(qū)時具有更好的抗噪性。這種類型的偏置技術(shù)通常用于具有低電阻值的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，根據(jù)溫度變化產(chǎn)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。 ?50°C時，NTC熱敏電阻電阻為441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的最小激勵電流為50 μA，產(chǎn)生441.117 kΩ×50 μA = 22 V的電壓，該電壓過高，超出了該應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備附近，因此不需要激勵電流的抗噪優(yōu)勢。

圖5.配置恒流源。

圖6顯示了用于在NTC熱敏電阻兩端產(chǎn)生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加串聯(lián)檢測電阻，將熱敏電阻上的電流限制在其最小電阻值。在此配置中，檢測電阻的值為 R意義，必須等于熱敏電阻在基準溫度為25°C時的電阻大小，以便在標稱溫度為25°C時，輸出電壓將設(shè)置為基準電壓的中間電平值。 同樣，如果使用在25°C時電阻為10 kΩ的10 kΩ熱敏電阻，則R意義必須等于 10 kΩ。當溫度變化時，NTC熱敏電阻的電阻也會發(fā)生變化，熱敏電阻兩端的激勵電壓分數(shù)也會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與NTC熱敏電阻電阻成比例的輸出電壓。

圖6.配置分壓器電路。

如果選擇用于為熱敏電阻供電的基準電壓和/或 R意義與用于測量的ADC基準電壓源相同，然后系統(tǒng)配置為比率測量（圖7），以便消除與激勵電壓源相關(guān)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）或基準電阻（電流激勵）需要具有低初始容差和低漂移，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。另一種選擇是使用具有低導(dǎo)通電阻的外部多路復(fù)用器或開關(guān)，這允許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些建立時間。

圖8.多個熱敏電阻的模擬輸入配置測量。

總之，在設(shè)計基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時，存在多個問題：傳感器選擇、傳感器連接、元件選擇方面的權(quán)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介紹如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和整體系統(tǒng)誤差預(yù)算以實現(xiàn)目標性能。

審核編輯：郭婷