傳感器信號(hào)通道設(shè)計(jì)

RTD

電阻溫度檢測(cè)器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見(jiàn)、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱(chēng)為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來(lái)制造RTD。

RTD具有較寬的測(cè)溫范圍，最高達(dá)+750°C，具有較高精度和較好的可重復(fù)性，線(xiàn)性度適中。對(duì)于Pt-RTD，最常見(jiàn)的電阻值為：0°C時(shí)，標(biāo)稱(chēng)值為100Ω或1kΩ，當(dāng)然也有其它電阻值。

RTD的信號(hào)調(diào)理可以非常簡(jiǎn)單：將RTD與一個(gè)精密的固定阻值電阻相連，構(gòu)成分壓器;也可以采用更復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理，尤其是在寬溫測(cè)量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準(zhǔn)和高分辨率ADC，如圖3所示。利用查找表或通過(guò)計(jì)算、外部線(xiàn)性化處理電路對(duì)傳感器進(jìn)行線(xiàn)性化調(diào)整。

圖3 RTD信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。有幾種類(lèi)型的熱電偶分別以字母表示。最常見(jiàn)的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測(cè)溫范圍，高達(dá)+1800°C;成本很低，具體成本與封裝有關(guān);具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40?V/°C;線(xiàn)性度適中，并可提供適當(dāng)?shù)膹?fù)雜信號(hào)調(diào)理，即冷端補(bǔ)償和放大。

由于熱電偶輸出信號(hào)較低，利用熱電偶測(cè)量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線(xiàn)(或引線(xiàn))時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測(cè)量的復(fù)雜性。該觸點(diǎn)稱(chēng)為冷端(圖4所示)。為了利用熱電偶準(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須在冷端位置增加第二個(gè)溫度傳感器，如圖5所示。然后將冷端測(cè)量溫度與熱電偶測(cè)量值相疊加。圖5所示電路是一種實(shí)施方案，其中包括多款精密元件。

圖4 熱電偶電路簡(jiǎn)化圖

金屬1和金屬2之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2與測(cè)量裝置銅線(xiàn)或印制板(PCB)引線(xiàn)的接觸位置形成了額外的熱電偶。

除圖5所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號(hào)調(diào)理的器件MAX6*。這些器件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并顯著降低對(duì)熱電偶輸出放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化處理的元件數(shù)量。

圖5 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例

溫度傳感器IC

溫度傳感器IC充分利用了硅PN結(jié)所具備的線(xiàn)性度和預(yù)知的溫度特性等優(yōu)勢(shì)。由于這些IC都是采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數(shù)字接口、ADC輸入、風(fēng)扇控制等，這是其它技術(shù)無(wú)法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達(dá)+125°C，部分產(chǎn)品的溫度上限可以達(dá)到+150°C左右。以下介紹了常見(jiàn)的溫度傳感器IC。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，有些情況下則轉(zhuǎn)換成電流。最簡(jiǎn)單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個(gè)有效端：地、電源輸入和信號(hào)輸出。其它具有增強(qiáng)功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器 或電壓基準(zhǔn)輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。對(duì)這一電壓信號(hào)進(jìn)行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當(dāng)?shù)淖兓P(guān)系，獲得較高的溫度測(cè)量精度。例如，DS600業(yè)內(nèi)精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內(nèi)保證誤差小于±0.5°C。

本地?cái)?shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數(shù)字信號(hào)的溫度傳感器。這種器件通常稱(chēng)為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測(cè)量的是自身溫度。這種工作方式相對(duì)于遠(yuǎn)端傳感器，后者用于測(cè)量外部IC或分立晶體管的溫度。

基本的數(shù)字溫度傳感器只是簡(jiǎn)單地測(cè)量溫度，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)各種特定接口讀取，接口類(lèi)型包括：1-Wire?、I?C、PWM 和3線(xiàn)。復(fù)雜的數(shù)字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報(bào)警輸出、設(shè)置觸發(fā)門(mén)限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地?cái)?shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器又稱(chēng)為遠(yuǎn)端傳感器或二極管溫度傳感器。遠(yuǎn)端傳感器用于測(cè)量外部晶體管的溫度，可以采用分立晶體管，也可以采用集成在另一IC內(nèi)部的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)及ASIC往往包含一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，通常稱(chēng)為溫度二極管，與圖6所示類(lèi)似。

圖6 利用遠(yuǎn)端溫度傳感器MAX 6642監(jiān)測(cè)外部IC管芯的晶體管(或溫度二極管)溫度

遠(yuǎn)端溫度傳感器具有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：可以利用單片IC監(jiān)測(cè)多點(diǎn)溫度。一個(gè)基本的單芯片遠(yuǎn)端傳感器，例如，圖4中的MAX 6642，可以監(jiān)測(cè)兩個(gè)溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以是目標(biāo)IC的管芯，如圖4所示，也可以是被監(jiān)測(cè)電路板的某個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(采用分立式晶體管)。有些遠(yuǎn)端傳感器可以監(jiān)測(cè)最多7個(gè)位置的外部溫度。這樣的話(huà)，包括IC和電路板的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在內(nèi)，單芯片能夠監(jiān)測(cè)多達(dá)8個(gè)位置。以MAX6602 為例，該溫度傳感器具有4路遠(yuǎn)端二極管輸入，能夠監(jiān)測(cè)1對(duì)集成溫度二極管的FPGA、2個(gè)電路板的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(采用分立晶體管)以及MAX6602所在位置的電路板溫度。MAX6602和MAX 6642 在測(cè)量外部溫度二極管時(shí)都能達(dá)到±1°C的精度。