热敏电阻结合高分辨∑△A/D变换器测量温度

2006-05-07 15:49:43来源: 电子产品世界

温度是工业、消费类和计算机应用中最普遍测量的变量之一,而热敏电阻是监控这种物理条件主要手段之一。但必须在数字或模拟范围线性化热敏电阻输出以获得精确测量。也必须为热敏电阻本身自热效应选择激励源和补偿。过热所引起的误差导致器件电阻变化,使误差进入测量系统。

在测量温度的大多数应用中,必须把测量值从模拟变为数字形式。采用高精度∑△变换器可大大减少变换所需的大量信号调理元件,这是一种高精度、低成本系统实现方案。

测温用热敏电阻

热敏电阻是用半导体材料制作的电路元件,它们有高负温度系数(NTC)或高正温度系数(PTC)特性。一个NTC热敏电阻相当于一个电阻器,温度系数范围为-3%~-5%/℃。热敏电阻器,绝对值输出在其工作温度范围的变化为万分之一。高灵敏度使热敏电阻电路能检测温度的瞬间变化,而热耦或RTD不可能做到。NTC热敏电阻最适合 精密温度测量,PTC热敏电阻更适合开关应用。

在很多应用中,热敏电阻显示出高稳定性、精密、小尺寸、灵活性和价廉的特点。它们也具有快速响应时间,属于最灵敏温度传感器之列。工程师、科学家和技术为员把热敏电阻用于通信、仪器、汽车、医学、航空、航天以及消费类等应用。

热敏电阻温度曲线可用Steinhart-Hart方程近似表示:

1/T=A+B(lnR)+C(lnR)3

式中T:温度(k)

R:热敏电阻阻值(Ω)

A、B、C:曲线拟合常数

选择数据曲线的3个数据点解3个联立方程就可求出A、B、C。所选数据点间距不超过热敏电阻温度范围标定中点100℃时,方程近似±0.02℃曲线拟合。

高分辨率数据采集

在数据采含有应用中,需要高分辨率A/D变换器把测量电路所含热敏电阻产生的信号进行数字化。Analog Devices公司的AD7711(见图1)是一款信号调理A/D变换器,特别适合采用热敏电阻测温应用。

这种集成解决方案提供片上电源和电压基准,可用一个恒流源或一个比值电压激励热敏电阻。AD7711也包含可编程增益放大器,提供1~128增益,使前端信号范围达20mV~2.5V(单极)和±20mV~±2.5V(双极)。AD7711在∑△调制器中采用多样方法实现数字化所需要的增益,避免了与分立信号调理电路有关的噪声和失调问题。

模拟输入是差分输入,共模抑制大于90dB(达几kHz)。这种输入可排除来自测量大的DC电压。基准输入也是差分形式,使在前端比值工作。

片上∑△处理提供高笥能滤波。片上滤波主要好处是:可从输入信号排除主频分量和传感器激励频率,在应用中必须去掉这些频率。

除衰减之外,此滤波器提供120dB衰减陷波滤波。陷波滤波可设置在50Hz或60Hz,以消除来自系统的线频率分量。片上数字滤波不仅仅提供带外信号衰减而且也降低了防假频要求(由于在∑△处理中采用高过取样率的结果)。

可以消除A/D变换器所引起的失调和增益误差,采用的方法是在输入加已知电压和所希望的代码输出比较,并根据A/D变换差分计算失调和增益校正因数。片上校正不仅仅消除了由A/D变换器所引起的失调和增益误差,而且也消除了发生在前级电路中的误差。AD7711所采用的表面贴装封装(SOIC)特适合板面积受限制的集成设计。

在便携仪器或手持保健产品中,电源是额外费用。AD7705 A/D变换器列适合这些应用。它的功耗只有1mW,而且有与AD7711相同的信号处理前端、∑△调制器和数字滤波器(它没有片上电流源或基)。

电流激励的传敏电阻应用电路

图2所示电路是用AD7711数字化热敏电阻所产生的输出电压,采用片上200μA电流源。

此电路中所用热敏电阻是Betatherm Ireland Ltd.的0.3k1A1,在25℃标定电阻300Ω。此电路中激励热敏电阻的同一电流源也产生基准电压。因此,激励电流变化不影响性能。在应用中最普遍的连线配置是4线冲头/感测配置,这种连线配置也可降低引线电阻对系统性能的影响。

驱动线的引线电阻只改变共模电压而不降低电路性能。感测线的引线电阻是不重要的,这是因为AD7711模拟高输入阻抗连线上没有电流。

很多应用只用两根线连到热敏电阻,这是因为线过温电阻明显低于热敏电阻元件值。但基准设计电阻器必须具有低温度系数以防止基准电压过温误差。电路工作温度范围是-30℃~100℃。低端限制是电流源输出依从性与有关电路中电压范围所确定的热敏电阻阻抗随温度降低而增加有关。

AD7711所接收的热敏电阻输出电压范围从100℃的7mV到-35℃的0.75V。变换器可编程增益放大器使系统SNR达到最大值。用2V基准和1~128增益范围,AD7711可接受0mV和15mV及0V和2V之间的单极信号。例如,若工作范围是25℃~100℃,则热敏电阻所产生的最大输出电压是60mV。允许变换器用增益32便可达到整个范围。在增益32,用10Hz编程更新率,此变换器提供17位有效峰-峰分辨率。

图3电路是∑△变换器设计的完全比值测量系统,未用片上电流源或电压基准。在该应用中,恒流源是由电压基准和运放产生。用于激励热敏电阻的同一恒流源也为A/D变换器产生基准。因为比值工作,所以消除测量系统中的漂移误差。这种变换器没有片上电压基准或电流源,所以必须外部产生热敏电阻激励和AD7705基准。此应用中的热敏电阻是用运放和外基准所产生的恒流源激励。恒流源为AD7705产生基准。这种实现方法是完全比值,而激励电流变化不降低系统性能。当增益为1时,AD7705在缓冲模式基温度范围-55℃~70℃,50Hz输出率可提供16位峰-峰分辨率。

电压激励热敏电阻应用电路

图4所示的电路中,激励热敏电阻的电压源来自AD7711。热敏电阻是10k3A(Betatherm公司),在25℃标定阻抗是10kΩ。电路中两个电阻器(RS和R1)与热敏电阻串联,也可用RS=0Ω实现。电阻器RS限制热敏电阻功耗,电阻器R1线性化热敏电阻输出。当RS=0Ω时,跨接在R1上输出电压变化范围从-50℃的33mV到100℃的2.329V。当工作在增益为1单极工作模式时,AD7711适用0V到2.5V输入信号范围。假若应用需要A/D变换器满动态范围,则可以用变换器上的系统校正特性消除低端的33mV。因此,当变换器在输入为33mV时,变换器数字输出将为0。同样在高端可以用系统全量程校正,2.329V输入电压输出全为1。

在此电路中,用AD7711可编程增益放大器放大R1所产生的信号,使系统SNR最大。

热敏电阻输出线性化

热敏电阻输出线性化在一般应用中可用两种方法,在数字化范围可用器件特性查找表。为产生此表,用Steinhart-Hatt方程实现3阶线性化公式,提供±0.02℃精度。在模拟范围,用另外的串联或并联电阻器实现线性化,使线性温标三个等距点上的电压或固定电阻值热敏电阻的电阻为零误差。

假定RS=0Ω,图4电路用与热敏电阻串联的R1线性化热敏电阻的输出。迫使加在R1上的电压在所需温度范围线性温标三个点上的误差为零。应用温度范围确定最大误差。此电路中,温度范围为-50℃~100℃。在50℃,25℃和100℃的误差是零,其他温度误差由S状曲线分配。

用这种方法,热敏电阻的非线性负温度特性转变为12%峰值误差的线性关系。随着温度范围缩小,误差明显变小10℃范围为0.01℃,30℃范围为0.05℃,60℃范围为2.0℃。

式中RTMID、RTLO和RTHI分别为中间范围、低端范围和高端范围热敏电阻阻抗。

消除自热效应

热敏电阻自热效应可使整个系统性能降低。在静止空气中这些效应更明显。如果把热敏电阻放置在流动空气液体或固体中,自然误差相当小。为保持最大自然误差在0.1℃内,需限制电路中的电流,保持热敏电阻RT中的功耗最大为0.1mW。图2所示的电路用200μA恒流电流激励热敏电阻,热敏电阻在25℃功耗为12μA恒流源,热敏电阻在25℃功耗3μW。热敏电阻在-55℃~70℃工作范围内功耗小于0.1mW。

图4中,最大功耗点(当自热效应最坏时)RT值等于R1时。图4中的串联电阻RS将限制电路中的电流,并保持热敏电阻功耗在可接受水平,故可忽略热敏电阻的自热效应。6kΩ阻值对限制电路中电流是足够的,并保证热敏电阻中最大功耗小于0.1mW。

结语

热敏电阻特别适合于对限制温度范围的测温应用。其价格比RTD和热电偶都低。特别适用于测量远程距离地点的温度,这是因为引线电阻与热敏电阻高阻值相比不是重要的。这种器件对于小的温度变化具有明显的电阻变化。使热敏电阻可用于高分辨率测量。

热敏电阻有高度互换性和尺寸小的特点。把热敏电阻与高分辨率A/D变换器结合起来可构成高精度、高分辨率温度测量系统。

热敏电阻的缺点是需要线性化,热敏电阻应用在有限温度范围内。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/measure/200605/1863.html
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