温度比特转换器解决了温度传感器测量难题之二 温度传感器, 转换器, 电阻器, 绝对值, 比特

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RTD：重要的是什么?

典型PT100 RTD的电阻值在温度每变化1/10℃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。

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10 kΩ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1)。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℃为单位输出RTD温度。



图1 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电路，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包括故障检测电路。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。

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RT D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℃为单位报告结果。热敏电阻器一般在-40℃～150℃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。

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2)。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℃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。

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2）。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℃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2 用LTC2983测量热敏电阻器温度
LTC2983包括故障检测电路。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电路（参见图3）。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/滤波电路，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3 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。