從常用的三種溫度傳感器-熱電偶,、RTD和NTC熱敏電阻開始到智能化的開拓與數(shù)字溫度傳感器引入將分別按序介紹,并對其在解決大功率電路發(fā)熱設(shè)計方案中的應(yīng)用作一分折說明。

關(guān)鍵詞：線性化   共模噪聲    結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償    溫度漂移   PWM模式

1,、 工業(yè)中常用溫度傳感器的分類

        溫度是測量頻度最高的物理參數(shù),，并且可采用各種各樣的傳感器來進(jìn)行測量。所有這些傳感器均通過檢測某種物理特性的變化來推斷溫度,。最常用的三種溫度傳感器是熱電偶,、電阻溫度計(RTD)和NTC熱敏電阻,見圖1所示。值此先作介紹,。

2,、ANALOG FOR THE DIGITAL AGE  2004  Microchip Technology Inc.

1.1熱電偶

        由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線(以形成兩個結(jié)點(diǎn))所組成。結(jié)點(diǎn)之間的溫差會在兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生熱電電位(即電壓),。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度上并測量該電壓,，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬,，而且體積極小,。不過,，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷,。

1.2電阻溫度計(RTD)

        是能夠顯示電阻值隨溫度變化情況的繞絲或薄膜螺旋管,。雖然常用的金屬是銅、鎳和鎳鐵合金等,，但采用鉑制成的RTD具有最佳的線性,、可重復(fù)性和穩(wěn)定性。憑借其上佳的線性

        和無與倫比的長期穩(wěn)定性,，鉑RTD牢固確立了自己作為溫度參考傳遞國際標(biāo)準(zhǔn)的地位,。盡管薄膜鉑RTD提供了性能匹配，但標(biāo)準(zhǔn)等級線繞電阻則在成本,、外形尺寸和便利性方面更勝一籌,。早期的薄膜鉑RTD飽受漂移的困擾，原因是它們具有較高的表面積與體積之比,因而令其對污染更加敏感,。后來，薄膜隔離和封裝的改進(jìn)消除了這些問題,，使得薄膜RTD一舉超越線繞電阻和NTC熱敏電阻而成為溫度傳感器之首選,。

1.3 NTC熱敏電阻

        由金屬氧化物陶瓷組成，是低成本,、靈敏度最高的溫度傳感器,。同時，它們也是線性最差的溫度傳感器,，并具有負(fù)溫度系數(shù),。熱敏電阻擁有各種外形尺寸、基極電阻值以及電阻-溫度(R-T)函數(shù)關(guān)系曲線,，可供簡化封裝和輸出線性化電路之用,。通常將兩個熱敏電阻組合起來使用，以使輸出具有較好的線性,。常用的熱敏電阻具有10%-20%的互換性,。雖然可提供1%的精確互換性，但花費(fèi)的成本往往要高于鉑RTD,。普通的熱敏電阻可在有限的工作溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出上佳的電阻穩(wěn)定性,，而在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時則表現(xiàn)出中等水平的穩(wěn)定性(在125℃條件下為2%/1000小時)。

2,、 溫度傳感器的智能化-工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路

2.1 RTD測量電路-0℃至400℃溫度范圍的PTl00傳感器線性化測量電路

        圖2為只采用一個雙通道運(yùn)算放大器OPA2335和7個電阻器便構(gòu)建了具有線性化功能的低成本RTD測量電路,。該電路的第一級負(fù)責(zé)在0℃至400℃的溫度范圍內(nèi)對PTl00傳感器進(jìn)行線性化處理，從而產(chǎn)生±0.08℃的最大溫度誤差,。R1用于確定RTD的初始激勵電流,。R3和R4負(fù)責(zé)設(shè)定線性化級的增益,，以確保A1的輸入處于其共模范圍之內(nèi)。Vo1將隨著溫度的升高而升高,。Vo1的一小部分通過R2饋回輸入端,，用于線性化處理。應(yīng)計算出合適的R1-R4

        電阻器阻值,，使得通過RTD的最大激勵電流的電阻達(dá)100Ω,，以避免由于自發(fā)熱而導(dǎo)致測量誤差。

        該電路的第二級負(fù)責(zé)失調(diào)和增益調(diào)節(jié),。這里,，對Vo1的線性斜率重新進(jìn)行調(diào)整,以便在0.5V至4.5V的輸出范圍內(nèi)提供10mV/℃的Vo2斜率。

22 通過4-20mA電流環(huán)路對遠(yuǎn)程三線式RTD進(jìn)行溫度測量

        圖3為該電路采用4-20mA電流發(fā)送器XTR112來測量遠(yuǎn)程三線式RTD的溫度的應(yīng)用電路圖(三線式是圖3中RTD上下的1,、2,、3線),這兒應(yīng)用了4-20mA電流發(fā)送器XTR112的電流環(huán)路功能。該器件提供了兩個用于RTD激勵和線性電阻補(bǔ)償?shù)钠ヅ潆娏髟?。?nèi)部線性化電路為RTD提供二階校正,，從而實現(xiàn)了40:1的線性度提升。IR2是用于RTD的激勵電流,。IR1是流經(jīng)Rz和RLINE1,的補(bǔ)償電流,。通過選擇與最低溫度條件下的RTD阻值相等的Rz阻值，XTR112的內(nèi)部儀表放大器(1NA)將測量RTD電阻中與溫度相關(guān)的阻值差量,。

        采用RCM來提供附加壓降,，用于給XTRll2的輸入施加偏壓，使其處于共模輸入范圍之內(nèi),。0.01μF旁路電容器可最大限度地降低共模噪聲,。RG用于設(shè)定INA的增益。對于二階線性化處理,，INA輸出電壓的一小部分通過電阻器R LIN1和R LIN2進(jìn)行反饋,。該輸出電壓在內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為電流，然后加至返回電流IRET,，以產(chǎn)生Io=4mA+VIN,40/RG的輸出電流,。

        在電流環(huán)路側(cè)，與信號相關(guān)的4-20mA環(huán)路電流的大部分由晶體管Q1來傳導(dǎo),。這把大多數(shù)功耗與XTR112的內(nèi)部精密電路隔離開來,，從而保持了超群的準(zhǔn)確度。

2.3 采用連線冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償(CJC)的K型熱電偶來進(jìn)行溫度測量

        圖4為該應(yīng)用電路圖,。該熱電偶測量電路采用自動置零,、單電源放大器OPA335。精密電壓基準(zhǔn)REF3040提供4.096V的橋式電源。二極管D1的正向電壓具有-2mV/℃的負(fù)溫度系數(shù),，并通過電阻器網(wǎng)絡(luò)R1-R3來提供冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償,。

        針對規(guī)定的最低溫度的零點(diǎn)調(diào)節(jié)是通過R6來實現(xiàn)的，而R7和R9負(fù)責(zé)設(shè)定輸出放大器的增益,。OPA335提供了AOL,，=130dB的高DC開環(huán)增益，從而在低電壓應(yīng)用中實現(xiàn)了超過16位的準(zhǔn)確度(在高增益條件下),。自動置零操作消除了1/f噪聲,，并提供了5μV(最大值)的初始失調(diào)以及0.05μV/℃(最大值)的極低溫度失調(diào)漂移。因此,，對于那些強(qiáng)制要求高準(zhǔn)確度,、低漂移和低噪聲的單電源、精密型應(yīng)用而言,，0PA335是理想之選,。

2.4采用MSCl200的多熱電偶用自主型溫度測量

        圖5(a)為采用MSCl200的多熱電偶用自主型溫度測量應(yīng)用圖。該溫度測量電路采用混合信號控制器MSCl200來測量四種不同類型的熱電偶(Tc1-Tc4)的差分輸出電壓和參考溫度,。MSCl200集成了具有22位有效分辨率的△∑型ADC,、通用型輸入多路轉(zhuǎn)換器、可選輸入緩沖器和增益調(diào)節(jié)范圍為1-128的可編程增益放大器(PGA) ,見圖5(b)所示,。該器件包括片上溫度傳感器,、快閃存儲器和SRAM存儲器以及改良型8051-CPU(在功耗相同的情況下，其運(yùn)行速度可達(dá)最初標(biāo)準(zhǔn)版本的3倍),。片上電流數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(1-DAC)可提供至RTD和熱敏電阻的激勵電流。其MSCl200混合信號控制器內(nèi)部框圖見圖5(b)所示,。

2.41 集成電流源為實現(xiàn)傳感器燒毀檢測創(chuàng)造了條件

        從圖5(a)可分析,在熱電偶定位較遠(yuǎn)的場合,，輸入RC低通濾波器將消除差分和共模噪聲(當(dāng)在噪聲環(huán)境中工作時，熱電偶的導(dǎo)線有可能拾取這些噪聲),。對于不同類型的熱電偶,，有可能需要采用不同的PGA(可編程增益放大器)設(shè)置以減小模擬輸入阻抗。低輸入阻抗可導(dǎo)致補(bǔ)償電流流過熱電偶,。這些電流會擾亂電子密度(塞貝克效應(yīng)正是因此而產(chǎn)生的),，從而在熱電偶輸出端給出錯誤的熱電勢讀數(shù)。為了始終提供某些GW(增益寬帶)的高輸入阻抗,，必須啟動輸入緩沖器,。然而，這將把輸入共模范圍降至比模擬地高50mV,，而比正模擬電源低1.5V,。為了確保熱電偶信號處于該范圍之內(nèi)，應(yīng)通過10k-100kΩ(見圖5(a)中RLIN)電阻器來給每個輸入施加偏置電壓,。該偏置電壓由精密電壓基準(zhǔn)電路REF3112來提供,，它具有0.2%的初始誤差和15ppm/℃的溫度漂移,。

2.42冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償

        從圖5(a)可知,冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償(CJC)是通過由AINCOM引腳(圖5(a)下端)讀出線性化熱敏電阻電路兩端的輸出電壓來完成的。

        輸入多路轉(zhuǎn)換器的通用性使得能夠?qū)⒕彌_器的正輸入和負(fù)輸入分配至任何模擬輸入引腳,。因此,，為了對參考溫度進(jìn)行差分測量，需將一個緩沖器輸入連接至AINCOM而將另一個輸入連接至任何熱電偶的“低端”輸入(AIN1,、3,、5或7)。然而,，一旦選擇了某個輸入,，則參考溫度的所有后續(xù)差分測量都必須以同一個“低端”輸入為基準(zhǔn)。如果MSCl200靠近等溫部件且基于所需的準(zhǔn)確度,，則片上MSCl200的溫度傳感器可被用于CJC,。

2.5采用INA330來進(jìn)行熱電冷卻器的恒溫控制

        圖6為該恒溫控制電路。其1NA330是專為在光網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)學(xué)分析應(yīng)用中進(jìn)行熱電冷卻器(TEC)控制而設(shè)計的精密型放大器,它專為在基于10kΩ熱敏電阻的溫度控制器中使用而進(jìn)行了優(yōu)化,。INA330提供熱敏電阻激勵,，并生成與施加在輸入端上的電阻差成比例的輸出電壓。它只采用了一個精密電阻器(RSET)和熱敏電阻(圖6左側(cè)帶箭頭的RTHERM =10kΩ),，因而為傳統(tǒng)的橋式電路提供了一種替代方案,。這種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)免除了增設(shè)兩個精密電阻器的需要，同時保持了適合于溫度控制應(yīng)用的絕佳準(zhǔn)確度,。INA330在產(chǎn)品的使用壽命期限內(nèi)始終提供了優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和非常低的1/f噪聲,。低失調(diào)使得-40℃至+85℃范圍內(nèi)的溫度誤差僅為0.009℃。

        從圖6左上可見,施加在輸入端V1和V2上的激勵電壓將產(chǎn)生流經(jīng)熱敏電阻(RTHERM)和精密電阻器(RSET)的電流I1和I2片上電流輸送電路產(chǎn)生的輸出電流為Io=I1-I2,。該流經(jīng)外部增益設(shè)定電阻器(RG)的輸出電流在外部進(jìn)行緩沖,，并出現(xiàn)在Vo引腳上。任何加至RG另一端的偏置電壓都將與輸出電壓相加,，因此,，Vo=Io·RG+VADJUST.該輸出電壓將饋送至PID控制器，這個控制器向采用橋接負(fù)載配置的TEC驅(qū)動器提供輸入電壓,。兩個運(yùn)算放大器(OPA569)為CMOS型,、單電源放大器，可在采用3V電源的情況下提供高達(dá)2A的負(fù)載驅(qū)動電流,。

        在本應(yīng)用中,，受控溫度由DAC來設(shè)定。如果TEC的溫度升至設(shè)定溫度以上,，則TEC電流將單向流動,，以進(jìn)行冷卻。如果溫度降至設(shè)定點(diǎn)以下，則電流方向反轉(zhuǎn),，TEC發(fā)熱升溫,。圖中的虛線表示從TEC至熱敏電阻的閉環(huán)熱反饋。兩者雖然從機(jī)械上來講是安裝在一起的,，但在電氣上卻是相互隔離的,。

3、 數(shù)字溫度傳感器

        TMP75和TMPl75是二線式,、串行輸出溫度傳感器,其內(nèi)部組成框圖見圖7(a)所示,。這些器件無需使用外部元件，并能夠以0.0625℃的分辨率來顯示溫度讀數(shù),。二線式接口與SMBus兼容,，從而允許TMPl75在一根總線上連接多達(dá)27部設(shè)備(而TMP75則最多可在一根總線上連接8部設(shè)備)。這兩款器件均具有SMBus報警功能,，是工業(yè)環(huán)境中常見的擴(kuò)展溫度測量應(yīng)用(見圖7(b)所示)的理想選擇,。

    3.1主要特點(diǎn)

    *27個地址(TMPl75)

    *8個地址(TMP75)

    *數(shù)字輸出：二線式串行接口

    *分辨率：9至12位，用戶可選

    *準(zhǔn)確度：

    ±1.5℃(最大值),，在25℃至+85℃范圍內(nèi)

    ±2.0℃(最大值),，在40℃至+125℃范圍內(nèi)

    *低靜態(tài)電流：50μA，0.1μA(待機(jī)狀態(tài)下)

    *寬電源范圍：2.7V至5.5V

*封裝型式：SO-8

    3.2應(yīng)用范圍

    *電源溫度監(jiān)視

    *電腦外設(shè)熱保護(hù)

    *恒溫器控制器

*環(huán)境監(jiān)控和HVAC

4,、用熱敏電阻與風(fēng)扇控制器集成電路(IC)組合解決控制大功率電路的散熱方案

*大功率電路的散熱問題

        投影儀,、大功率電源、數(shù)據(jù)通訊交換機(jī)和路由器等設(shè)備的散熱是一個值得考慮的問題,。這些應(yīng)用功耗極大,使設(shè)計人員在設(shè)計時要用風(fēng)扇來冷卻電子元件,。如果吹向元器件的氣流等于或小于每分鐘六到七立方英尺(CFM)即可滿足冷卻要求,那么直流無刷風(fēng)扇將是一個不錯的選擇。

*利用帶微處理器的電路或獨(dú)立風(fēng)扇控制器集成電路(1C)驅(qū)動和控制直流無刷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的選擇,。

        如果應(yīng)用中有多個風(fēng)扇,則基于單片機(jī)的系統(tǒng)是最佳電路方案,。借助這一單芯片方案和為數(shù)不多的外部元件,即可經(jīng)濟(jì)地對各種環(huán)境下的所有風(fēng)扇及溫度進(jìn)行控制。對于單一風(fēng)扇的電路,獨(dú)立風(fēng)扇控制器IC是最佳選擇.獨(dú)立IC具備故障檢測電路,當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障時會通知系統(tǒng),從而切斷系統(tǒng)的耗電部分,。獨(dú)立IC的風(fēng)扇故障檢測電路能夠抗干擾,，可確保將假警報濾除,。采用NTC熱敏電阻或片上的內(nèi)部溫度傳感器,，即可將這種電路用于遠(yuǎn)程溫度傳感,具有很好的經(jīng)濟(jì)性。這種電路的另一個優(yōu)點(diǎn)在于可檢測雙線風(fēng)扇的故障,雙線風(fēng)扇比三線風(fēng)扇更加便宜,。

*風(fēng)扇的激勵,、溫度監(jiān)測以及風(fēng)扇噪聲是設(shè)計中的三個主要問題

        如果不考慮所采用的電路類型,當(dāng)風(fēng)扇的位置確定下來后,應(yīng)對三個主要的設(shè)計問題加以考慮,分別為：風(fēng)扇的激勵、溫度監(jiān)測以及風(fēng)扇噪聲,。

        圖8所示為利用獨(dú)立IC驅(qū)動雙線風(fēng)扇的電路,。此電路中, 風(fēng)扇控制器集成電路TC647B的作用是根據(jù)NTC熱敏電阻上傳感的溫度改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。TC647B還可檢測風(fēng)扇運(yùn)行,并顯示風(fēng)扇何時發(fā)生了故障。

        無刷直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可通過兩種方法控制,即線性改變風(fēng)扇電壓或?qū)﹄妷哼M(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM),。圖8中TC647B利用PWM波形驅(qū)動晶體管Q1的基極,進(jìn)而驅(qū)動風(fēng)扇電壓,。

        改變PWM波形的脈寬可提高/降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。利用脈寬調(diào)制法控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,，效率比線性調(diào)整法高,。

        通過圖8可獲得工作于PWM模式下，RSENSE兩端和SENSE引腳上的電壓,。檢測電阻RSENSE上的電壓既有直流成分,，又有交流成分。交流電壓是由風(fēng)扇電機(jī)繞組上電流換相產(chǎn)生的.RSENSE上的瞬時電壓通過CSENSE耦合到TC647B的SENSE引腳,。這樣就除去了檢測電阻上電壓的直流成分,。SENSE引腳上接有一個10KΩ的內(nèi)部接地電阻,該引腳可檢測電壓脈沖,并將風(fēng)扇的運(yùn)行情況傳送給TC647B。如果SENSE 引腳在一秒鐘內(nèi)未檢測到脈沖,，TC647B即顯示出現(xiàn)了故障,。

*熱敏電阻RNTC與TC647B連接的三種方案。見圖9(a)(b)(c)所示

        利用一種廉價的方案,如一只熱敏電阻,即可方便地測量出溫度,。熱敏電阻具有快速,、小巧、輸出范圍寬等特點(diǎn),，且只需一個雙線接口,。其另一個優(yōu)點(diǎn)在于，熱敏電阻與TC647B的距離可以較遠(yuǎn),從而使布局更加靈活,。盡管熱敏電阻不是線性的,，但可在一個較小的溫度范圍內(nèi)(+25℃)進(jìn)行線性化處理，如圖9(a)(b)所示,。線性化處理和電平變化是利用標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻R1和R2實現(xiàn)的,。圖9熱敏電阻RNTC與TC647B連接是采用為圖9(C) 所示-具備電平變化功能的分壓電路形式。

        盡管分立電路或單片機(jī)方案均可實現(xiàn)對雙線風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行與溫度成正比的控制和風(fēng)扇故障檢測,但設(shè)計者還應(yīng)注意以下幾點(diǎn),。TC647B是一枚開關(guān)模式雙線無刷直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器,。脈寬調(diào)制(PWM)是用來控制與熱敏電阻的溫度相關(guān)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的。風(fēng)扇的最小轉(zhuǎn)速可通過連接到VMIN的簡單電阻分壓器來設(shè)置,。利用集成的啟動定時器確保電機(jī)通電時能可靠啟動,、從關(guān)斷模式恢復(fù)，或在瞬時故障后能自動重啟風(fēng)扇,。

        由于TC647B采用了Microchip的FanSense(風(fēng)扇撿測)技術(shù),，提高了系統(tǒng)可靠性。

5,、結(jié)束語

        上述介紹的常用溫度傳感器的分類及溫度傳感器的智能化,，即工業(yè)過程與檢測的溫度測量電路,，它們是實用技術(shù)的一部分，究竟采用何種,？是要根據(jù)實際項目的情況作出選擇,。