為具體應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/溫度傳感器" title="溫度傳感器" target="_blank">溫度傳感器取決于待測(cè)溫度范圍和所需的精度。系統(tǒng)精度取決于溫度傳感器的精度和對(duì)傳感器的輸出數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能。多數(shù)情況下,，由于傳感器信號(hào)非常微弱，因此需要高分辨率ADC,。ΣΔ ADC具有高分辨率,，并且這種ADC通常包含溫度測(cè)量系統(tǒng)所需的內(nèi)置電路，例如激勵(lì)電流源,。本文主要介紹可以利用的溫度傳感器[熱電偶,、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)、熱敏電阻器與熱敏二極管]和連接傳感器與ADC所需的電路,，以及對(duì)ADC的性能要求,。
熱電偶
熱電偶由兩種不同類型的金屬組成。當(dāng)溫度高于零攝氏度時(shí),，在兩種金屬的連接處會(huì)產(chǎn)生溫差電壓,，電壓大小取決于溫度相對(duì)于零攝氏度的偏差。熱電偶具有體積小,、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn),，非常適合惡劣環(huán)境中的極高溫度(高達(dá)2300℃)測(cè)量。但是,，熱電偶的輸出為mV級(jí),，因此需要經(jīng)過(guò)精密放大才能作進(jìn)一步處理。不同類型熱電偶的靈敏度也不一樣,，一般僅為每攝氏度幾mV,，因此需要高分辨率、低噪聲ADC,。
圖1給出利用3通道,、16/24位AD7792/AD7793 ΣΔ ADC的熱電偶系統(tǒng)。其片內(nèi)儀表放大器首先對(duì)熱電偶電壓進(jìn)行放大,，然后通過(guò)ADC對(duì)放
大的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。熱電偶產(chǎn)生的電壓偏置在地電平附近。片內(nèi)激勵(lì)電壓源將其偏置到放大器線性范圍以內(nèi),，因此系統(tǒng)能夠利用單電源工作,。這種低噪聲,、低漂移、片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源,，能夠確保模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度,，從而保證整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度。
電阻溫度探測(cè)器
電阻溫度探測(cè)器的電阻隨著溫度變化而變化,。電阻溫度探測(cè)器的常用材料是鎳,、銅、鉑,，其中電阻在100Ω ~ 1000Ω之間的鉑電阻溫度探測(cè)器是最常見(jiàn)的,。電阻溫度探測(cè)器適用于在-200℃ ~ +800℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有接近線性響應(yīng)的溫度測(cè)量。一只電阻溫度探測(cè)器包括3根或4根導(dǎo)線,。
熱敏電阻器
熱敏電阻器的電阻也隨著溫度的變化而變化,，但是其精度不如電阻溫度探測(cè)器。熱敏電阻通常使用單電流電源,。同使用電阻溫度探測(cè)器一樣,，一個(gè)精密電阻器用于基準(zhǔn)電壓源，一個(gè)電流源驅(qū)動(dòng)該精密基準(zhǔn)電阻器和熱敏電阻器,，這意味著可以實(shí)現(xiàn)一種比率配置,。這也說(shuō)明電流源的精度并不重要，因?yàn)殡娏髟礈仄扔绊憻崦綦娮杵?，同時(shí)也影響基準(zhǔn)電阻器,，因此抵消了漂移影響。在熱電偶應(yīng)用中,，通常利用熱敏電阻器進(jìn)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償,。熱敏電阻器的標(biāo)稱電阻值通常為1000Ω或更高。
熱敏二極管
也可以用熱敏二極管進(jìn)行溫度測(cè)量：通過(guò)測(cè)量二極管（一般為晶體管的基極到發(fā)射極）的電壓計(jì)算溫度,。采用兩種不同的電流分別通過(guò)熱敏二極管,，測(cè)量在兩種情況下從基極到發(fā)射極的電壓。由于知道電流的比率,，因此可以通過(guò)測(cè)量從基極到發(fā)射極電壓在兩種不同電流情況下的差,，從而準(zhǔn)確計(jì)算溫度。例如,，我們將AD7792/AD7793的激勵(lì)電流源設(shè)置為10mA 與210mA (也可以選擇其它值),。首先，讓210mA的激勵(lì)電流通過(guò)二極管,，利用ADC測(cè)量從基極到發(fā)射極的電壓,。然后，利用10mA 激勵(lì)電流重復(fù)上述測(cè)量。這意味著電流降低到原來(lái)的1/21,。在測(cè)量中電流絕對(duì)值并不重要,，但是要求電流比率固定,。
對(duì)ADC的要求
溫度測(cè)量系統(tǒng)通常是低速(每秒采樣最多100次)的,，因此窄帶ADC比較適合；但是,，ADC必須具有高分辨率,。窄帶與高分辨率的要求，使得ΣΔ ADC成為這種應(yīng)用的理想選擇,。在這種結(jié)構(gòu)下,，開(kāi)關(guān)電容器前端模擬輸入連續(xù)采樣，采樣頻率明顯高于有用帶寬,。
ΣΔ調(diào)節(jié)器將采樣的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖串,，其“1”的密度包括數(shù)字量信息。ΣΔ調(diào)節(jié)其還能進(jìn)行噪聲整形,。通過(guò)噪聲整形,，有用帶寬內(nèi)的噪聲被移到有用帶寬以外，到達(dá)無(wú)用的頻率范圍,。調(diào)節(jié)器的階數(shù)越高,，在有用帶寬內(nèi)對(duì)噪聲整形的作用就越明顯。但是,，較高階調(diào)節(jié)器容易不穩(wěn)定,。因此，必須在調(diào)節(jié)器階數(shù)與穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡,。在窄帶ΣΔ ADC中,，通常使用二階或三階調(diào)節(jié)器，器件穩(wěn)定性良好,。
調(diào)節(jié)器后面的數(shù)字濾波器對(duì)調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行采樣,，給出有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。該濾波器還能濾除帶外噪聲,。數(shù)字濾波器圖像頻率會(huì)出現(xiàn)在主時(shí)鐘頻率的多倍頻處,，因此，利用ΣΔ結(jié)構(gòu)意味著所需的唯一外部元件是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器,，用于消除主時(shí)鐘頻率倍頻處的數(shù)字濾波器鏡像頻率,。ΣΔ結(jié)構(gòu)使24位 ADC具有20.5字節(jié)的峰峰分辨率(穩(wěn)定或無(wú)閃爍的字節(jié))。
增益
通常,，來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)都非常微弱,，對(duì)于幾度的小范圍溫度變化，熱電偶與電阻溫度檢測(cè)器等溫度傳感器產(chǎn)生的相應(yīng)模擬電壓變化最多僅為數(shù)百mV。因此,，典型滿量程模擬輸出電壓只在mV范圍內(nèi),。如果不采用增益級(jí)電路，ADC的滿度范圍通常為±VREF,。為了使ADC的性能最優(yōu)化,，應(yīng)當(dāng)使用其大部分的模擬輸入范圍。在使用這類傳感器測(cè)量溫度時(shí),，增益的重要性異常突出,。要是沒(méi)有任何增益，則ADC滿度范圍只有一小部分使用,，這將損失分辨率,。
儀表放大器允許開(kāi)發(fā)低噪聲、低溫漂的增益級(jí)電路,。低噪聲與低溫漂非常關(guān)鍵,，可以保證因溫度變化引起的電壓變化大于儀表放大器的噪聲電壓。AD7793的增益可以設(shè)置為1, 2, 4, 8, 16, 32, 64或128,。利用128倍的最大增益設(shè)置以及產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓源,，AD7793的滿度范圍是±1.17 mV/128 mV或者大約±10 mV。這樣,，ADC的高分辨率特點(diǎn)保證無(wú)需任何外部放大器元件就可以達(dá)到最佳效果,。
對(duì)50Hz/60Hz頻率的抑制
ΣΔ ADC的內(nèi)置數(shù)字濾波器對(duì)于抑制帶外量化噪聲以及其它噪聲源非常有效。噪聲源之一是電力網(wǎng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率,。當(dāng)電力網(wǎng)為器件供電時(shí),，將產(chǎn)生50 Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率(在歐洲)，或產(chǎn)生60 Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率(在美國(guó)),。窄帶ADC主要采用sinc濾波器,。AD7793有4個(gè)濾波器選項(xiàng)，ADC可以根據(jù)更新速率自動(dòng)選擇需要使用的濾波器種類,。在16.6 Hz的更新速率下使用sinc3濾波器,。如圖2所示，sinc3濾波器在頻譜內(nèi)存在凹槽,。當(dāng)輸出字速率為16.6 Hz時(shí),，可以利用這些凹槽同時(shí)抑制50 Hz或60 Hz的頻率。
斬波器
系統(tǒng)中總是會(huì)出現(xiàn)
諸如失調(diào)電壓和其它低頻誤差等不利因素,，溫度測(cè)量系統(tǒng)也不例外,。斬波器是AD7793的一個(gè)固有特性，可以用于消除這些誤差信號(hào),。斬波器的工作原理就是在ADC的輸入多路復(fù)用器處交替地倒相(或削波),。然后,，對(duì)每次斬波相位(正相位和負(fù)相位)進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。接著,，用數(shù)字濾波器對(duì)這兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均,。這樣，就消除了ADC內(nèi)出現(xiàn)的任何失調(diào)誤差,，更重要的是,，將溫度對(duì)失調(diào)漂移的影響降到最低。
低功耗
很多溫度檢測(cè)系統(tǒng)都不采用電力供電,。在一些工業(yè)應(yīng)用中,，例如工廠中的溫度監(jiān)視,，包括傳感器,、ADC和微控制器在內(nèi)的整個(gè)溫度系統(tǒng)都在獨(dú)立的電路板內(nèi)，采用4 mA ~20 mA的環(huán)路供電,。因此,，獨(dú)立電路板的最大電流預(yù)算為4mA。在便攜式系統(tǒng)采用電池供電這類應(yīng)用中,，低功耗很重要,，但高性能也很重要。