基于熱敏電阻的溫度測量系統設計

NTC熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。我們經常可以在測溫電路中看到他們的身影。本文將介紹NTC熱敏電阻測溫設計中的相關知識點，包括NTC選擇、ADC選擇與配置，以及如何使用NTC熱敏電阻進行測溫。

下面是典型的NTC熱敏電阻測溫電路拓撲圖

圖1：典型的NTC熱敏電阻測溫電路拓撲圖(圖片來源：ADI)

激勵電流源/電壓源

兩種常見的激勵方式包括電流源與電壓源，兩者的特性比較如下：

激勵電流源激勵電壓源

拓撲結構

激勵電流IOUT恒定不變電壓VREF恒定不變

特點更好的抗干擾能力

適合NTC熱敏電阻遠離主電路的應用

通常用于電阻值較低的熱敏電阻不用擔心熱敏電阻電壓超過ADC輸入電壓范圍

適合NTC熱敏電阻靠近主電路的應用

通常用于電阻值更高、靈敏度更高的熱敏電阻

NTC熱敏電阻阻值的選擇

對于電流激勵來說，一般情況下，參考電阻阻值應大于等于NTC熱敏電阻最高阻值。而熱敏電阻的最高阻值取決于系統中測量的最低溫度。這么做的好處是，確保了傳感器和參考電阻之間產生的電壓始終在后續電路的采集范圍內。對于電壓激勵來說，標稱電阻低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵。然而，用戶必須確保通過傳感器的電流在任何時候對傳感器本身或應用而言都不會太大。

當使用標稱電阻大、溫度范圍大的熱敏電阻時，電壓激勵更容易實現。較大的標稱電阻確保標稱電流處于合理水平。然而，設計者需要確保電流在應用支持的整個溫度范圍內處于可接受的水平。

可編程增益級vs.動態激勵電流

熱敏電阻在低溫度下具有較大的電阻，則會導致激勵電流值非常低, 而在高溫下通過熱敏電阻產生的電壓很小。為了優化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。然而，當熱敏電阻的信號電平隨溫度顯著變化時，需要動態編程增益。另一種方法是，增益固定不變，但使用動態激勵電流。隨著熱敏電阻信號電平的變化，激勵電流值會動態變化，從而使熱敏電阻上產生的電壓在電子設備的指定輸入范圍內。

模數轉化器ADC選擇

“可編程增益級”還是“動態激勵電流”，這兩種選擇都需要高水平的控制，持續監測熱敏電阻上的電壓，以確保電子設備可以測量信號。

可以使用一些專用ADC芯片來簡化設計，如ADI的AD712424位Σ-Δ型ADC。由于應用程序中所需的大多數模塊都是內置的，因此在設計溫度系統時，有很多優勢。

Σ-Δ型ADC在設計熱敏電阻測量系統時具有多種優勢。首先，Σ-Δ型ADC對模擬輸入進行過采樣，因此可以簡化外部濾波電路設計，僅需要一個簡單的RC濾波器即可。這在濾波器類型和輸出數據速率的選擇方面提供了靈活性。內置數字濾波有助于在電源操作設計中抑制來自電源的任何干擾。24位器件(如AD7124-4/AD7124-8)的最大峰間分辨率為21.7位，因此它們可提供高分辨率。除此之外，還具有以下特性：

模擬輸入的寬共模范圍

參考輸入的寬共模范圍

支持比率配置的能力

一些Σ-Δ型ADC還高度集成各種功能，包括集成PGA，內部參考，參考/模擬輸入緩沖器，如AD7124-4/AD7124-8。與AD7124配套的開發板如下，大家可以根據設計開發需要進行選擇。

EVAL-AD7124-4SDZEVAL-AD7124-8SDZ

D7124-4 series 24 位 19.2k 采樣率

4個差分/7個偽差分輸入AD7124-8 series 24 位 19.2k 采樣率

8個差分/15個偽差分輸入

熱敏電阻電路配置比率配置

無論使用激勵電流還是激勵電壓，建議使用比例配置，其中參考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的準確性。

配置激勵電流源

下圖顯示了為熱敏電阻和精密電阻RREF供電的恒定激勵電流，通過RREF產生的電壓為熱敏電阻測量的參考電壓。激勵電流不需要精確，并且可能不太穩定，因為在比率配置中激勵電流中的任何錯誤都將被取消。

圖3：配置激勵電流源(圖片來源：ADI)

當傳感器離主電路很遠時，由于激勵電流源對靈敏度的優秀控制能力和更好的抗噪性，通常是首選。這種偏置技術通常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。

例如，25°C時10k?熱敏電阻的電阻為10 k?。-50°C時，NTC熱敏電阻電阻為441.117k?。AD7124提供的最小激勵電流為50μA，產生的電壓441.117k? × 50μA = 22 V，太高，超出了此應用領域中使用的大多數可用ADC的工作范圍。熱敏電阻通常也離主電路比較近，因此不需要激勵電流的抗噪優勢。

對于電阻值更高、靈敏度更高的熱敏電阻，每次溫度變化產生的信號電平將更大，因此使用電壓激勵更合適。

配置激勵電壓源

下圖顯示了用于在NTC熱敏電阻上產生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加一個串聯的電流傳感器，將使流過熱敏電阻的電流限制在其最小電阻值。在這種配置中，感測電阻RSENSE的值可以設置成等于熱敏電阻在25°C基準溫度下的電阻大小，以便當其在25°C標稱溫度下時，輸出電壓將設置為參考電壓的中間值。