很多的應(yīng)用不需要精確的溫度測量。精確的溫度測量是成本高的。降低一點精度要求，就會有很多可供選擇的成效方案，例如可選用：二極管、熱敏電阻、RTD（電阻溫度計）、熱電偶、硅溫度計等測溫方法。在選擇溫度感測電路時，傳感器的成本比溫度范圍、穩(wěn)定性或精度更重要。實現(xiàn)溫度信號調(diào)理3種最經(jīng)濟的方法是用熱電偶、二極管和熱敏電阻。本文將對這3種經(jīng)濟的測溫電路進行描述。熱電偶電路圖1示出熱電偶電路和一種信號調(diào)理電路，其基本單元包括：熱電偶網(wǎng)絡(luò)模擬濾波器、增益單元A/D變換器微控制器在熱電偶網(wǎng)絡(luò)中，TC1是處于實際溫度測量點的熱電偶。TC2是和TC1相同型號的第二個熱電偶。TC1和TC2都是E型熱電偶。熱電偶TC3和TC4是硬件實現(xiàn)所需配件，它們連接TC1和TC2到PCB的銅線 。4個熱電偶有3個放置在同溫單元中使它們保持在給定溫度。用模擬增益單元獲得所有4個熱電偶的等效輸出電壓并進行濾波。增益單元有一個單電源CMOS放大器（MCP601），配置做為一個2階低通切比雪夫濾波器。放大器的輸出信號用12位A/D變換器（MCP3201）數(shù)字化。MCP3201輸出碼串行送到微控制器（PIC12C508），微控制器把來自熱電偶網(wǎng)絡(luò)的電壓變?yōu)橛脭z氏或華氏表示的溫度。熱電偶由兩個不同的金屬構(gòu)成。在E型熱電偶中，兩種金屬是鉻鎳和康銅。熱電偶所產(chǎn)生的電壓通常稱之為EMF（電動勢）電壓，它代表熱電偶兩端的溫度差。此電壓隨溫度變化，不用任何電流或電壓激勵。熱電偶EMF電壓參照⁰C是很容易定義的。用圖1所示的感測電路，從TC1和TC4中扣除TC2和TC3的電壓。因為TC3和TC4的材料和溫度是相同的，所以這些結(jié)對測量誤差的貢獻是零。TC2用于從測量點熱電偶（TC1）扣除同溫單元溫度誤差，使TC1的EMF電壓以⁰C為其準。每個熱電偶溫度感測電路都需要第2個溫度電路消除PCB上由不希望熱電偶的引起的誤差。第二個溫度電路通常用增加一個熱敏電阻的簡單電路設(shè)計。熱電偶所產(chǎn)生EMF電壓的范圍從幾微伏到幾十毫伏。此電壓是可重復的，但是，是非線性的，可用查表法從系統(tǒng)中消除這種非線性。在信號調(diào)理電路中需要一個模擬增益級。假若在測量點的溫度范圍為25⁰C~600⁰C，則MCP601放大器的濾波器/增益級合適的增益設(shè)置應(yīng)為104V/V。二極管測溫電路二極管測溫電路示于圖2.在此溫度感測元件是用IN4148(Fairchild公司)二極管。對于不需要高精度的應(yīng)用來說，二極管是有用的、便宜的溫度感測器件。假若用恒流激勵它，則標準二極管(如IN4148)電壓隨溫度的變化是~5mv/⁰C。用電流激勵，二極管具有相當好的線性電壓-溫度性能。電壓激勵（VDIODE）與跨接在二極管上隨溫度變化的電壓之比值越大，線性誤差就越小。表1列出3個電壓基準，其中10V提供最好的線性度。應(yīng)當注意，基準電壓的變化改變流經(jīng)二極管的電流。因此，建議對于較高精度應(yīng)用應(yīng)采用精確電壓基準。表1 實現(xiàn)流經(jīng)IN4148二極管額定0.1uA電流所需合適的電阻值與二極管基準電壓的關(guān)系VDIODE(V)R4(Ω)4.0969.76K5.012.1K10.027K圖2中的溫度檢測電路采用A/D變換器?；镜?IMG height=13 src="/21ic_image/21icimage/201806/83a1fca4b3011b182784bfd5243639a5.gif" width=23>A/D變換器由兩部分電路組成一調(diào)制器和濾波器。功能的調(diào)制器部分用單電源放大器MCP601和R/C網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，此電路部分的電阻器設(shè)計方程是：VR3-VIN(CM)=VRAO(1+R1/R3) (1)VIN(P-P)=VRA3(P-P)(R1/R2) (2)式中：VIN(CM)=[VIN(max)-VIN(min)]/2+VIN(min)=[625Mv(@-4⁰C)-425mV(@85C)]/2+425mV=525mV (3)VBAO=加到比較器非倒相輸入的電壓=VDD/2=2.5VVIN(P-P)=[(VIN(max)-VIN(min))=625Mv(@-40C)-425Mv(@85⁰C)=200mVVRA3(P-P)=VRA3(max)-VRA3(min)=5V-0V=5V積分電路的功能用外部電容器(CINT)實現(xiàn)。此電路的積分輸出與系統(tǒng)基準（RA2）進行比較。微控制器內(nèi)部比較器充當1位數(shù)字轉(zhuǎn)換器，為微控制器內(nèi)數(shù)字濾波器程序提供數(shù)據(jù)。微控制器也為R/C網(wǎng)絡(luò)提供一反饋途徑。當PIC16C622的RA3設(shè)置為高態(tài)時，RAO電壓增加直到比較器（CMCON<6>）觸發(fā)為低態(tài)為止。在該點，到RA3輸出的驅(qū)動器從高態(tài)到低態(tài)轉(zhuǎn)換，而RAO減小直到比較器觸發(fā)為高態(tài)為止。然后，設(shè)置RA3為高態(tài)，而周期重復。當該電路的調(diào)制器部分是周期性工作時，兩個計數(shù)器記錄時間和比較器輸出的1對0的數(shù)。隨著時間，累積數(shù)字濾波器輸出給出多位變換結(jié)果。在一穩(wěn)定的、預先確定的時間間隔內(nèi)取每次積分結(jié)果。一個10位變換需要210取樣或1024個取樣。對于給定的系統(tǒng)線性誤差，該電路的210變換結(jié)果實際是8位精度。假若微控制器采集所有1024個取樣需要20ms，則一個完整的變換需要20.48ms(0.48ms用于變換結(jié)束的程序輔助操作)。簡單的熱敏電阻方案最簡單的方案應(yīng)該使溫度傳感器盡可能的靠近微控制器。圖3是熱敏電阻測溫電路，圖中與標準薄膜電阻器并聯(lián)的熱敏電阻用做溫度感測元件。這種并聯(lián)組合在50C范圍內(nèi)具有±1.5⁰C誤差的線性性能。圖3中RNTC||RPAR和CINT的R/C組合的上升時間與RREF和CINT的R/C組合的上升時間之比給出RNTC的被測電阻值。盡管此電路所選擇的微控制器不含內(nèi)部A/D變換器，但門脈沖輸入閾值電壓與微控制器時鐘組合起來用于計數(shù)熱敏電阻和外部電容器的上升時間。熱敏電阻有兩個基本類型：負溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)型。NTC熱敏電阻最適合于精密溫度測量，PTC熱敏電阻適用開關(guān)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。利用NTC熱敏電阻的3個不同工作模式來滿足不同應(yīng)用。一種模式利用感測元件的電阻與溫度特性關(guān)系。其他兩種模式利用熱敏電阻的電壓與電流和電流持續(xù)時間的特性關(guān)系。NTC熱敏電阻的電阻與溫度關(guān)系可用于精密溫度測量、控制和補償。這種模式依賴于工作在零功率條件下的熱敏電阻。這種條件意味著電流或電壓激勵不會影響熱敏電阻的白熱。熱敏電阻的電阻與RTD元件相比(一般幾百歐姆)是相當高的。熱敏電阻在25C額定值為1kΩ~10MΩ。用軟件或硬件技術(shù)或二者組合可以校準NTC熱敏電阻的非線性度。用標準電阻器（如圖3所示）可簡單地實現(xiàn)硬件線性化。在此電路實現(xiàn)中，熱敏電阻與等效電阻器并聯(lián)。用PIC12C508執(zhí)行A/D變換，置GP1和GP2為高阻抗輸入。設(shè)置GPO為低態(tài)并做為輸出，故放電電容器（CINT）。一旦，CINT完全被放電，則PIC12C508中的碼字改變GPO到高阻抗輸入而GP1到高態(tài)做為輸出端口。在這種配置中，GP1傳導電流來充電CINT和并聯(lián)電阻RNTC||RPAR的R/C組合。在充電期間，微控制器計數(shù)GPO變?yōu)楦邞B(tài)前的時鐘周期數(shù)。在該狀態(tài)下測量熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的上升時間（tNTC）.一旦GP1和GP2再次設(shè)置為輸入，GP0設(shè)置為低態(tài)和做為輸出端口，則該計數(shù)（tNTC）存在存儲器中。此配置放電CINT。當電容器被完全放電時，GP0再次變?yōu)檩斎?，但此時GP2設(shè)置為高態(tài)并做為輸出。用這種配置，微控制器計數(shù)時鐘周期數(shù)直到GP0輸入變?yōu)楦邞B(tài)為止。此新的計數(shù)表示RREF/CINT電路的上升時間值。圖3中R/C網(wǎng)絡(luò)的上升時間是：t=RCln(1-VTH/VDD) (7)其中：VTH:控制器輸入門GP0的閾值電壓VDD:微控制器電源電壓R:電路中的電阻器C:電路中的電容器假定VTH/VDD比是常是，則包含RREF的電路上升時間和包含RNTC||RPAR的電路關(guān)系是：RNTC||RPAR=(tNTC/tREF)RREF (8)或：RNTC=( tNTC/RREFRPAR)/()RPAR值應(yīng)等于熱敏電阻在50C溫度范圍中間點的值。例如，假若應(yīng)用具有25C~75C的溫度范圍，則一個10KΩ熱敏電阻在50C為~3.6KΩ。為了線性化該溫度范圍的熱敏電阻，則并聯(lián)電阻器（RPAR）應(yīng)等于3.6KΩ。一旦確定了并聯(lián)電阻值，則可很容易地選擇RREF。為使性能最佳，選擇基準電阻器等于與其并聯(lián)的額定溫度下NTC熱敏電阻的阻值（RREF=1.8KΩ）。在此電路中，變換精度不依賴于VDD和GP0端輸入選通閾值。另外，靠比較這兩個類似網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)使得電容器漏電和非線性引起的誤差最小。而電容器的值依賴于控制器的處理時間。為了達到最好結(jié)果，應(yīng)該用穩(wěn)定的、低漏電容器，如用聚丙烯或NPO陶瓷電容器。即使最好的電容器也呈現(xiàn)存儲現(xiàn)象，介質(zhì)吸收和電容器放電電壓一起確定該剩余電荷的大小。可使這種效應(yīng)最小的技術(shù)是每次放電電容器到同一微調(diào)點（VTH）。結(jié)語在很多應(yīng)用中，溫度感測元件的特性是要求高的。然而，在另一些應(yīng)用中，對傳感器元件的要求是不太嚴格的，這使得對傳感器的選擇比較寬。對于這些應(yīng)用，電子電路設(shè)計成為系統(tǒng)設(shè)計中的最重要因數(shù)。用微控制器和少量簡單模擬元件可設(shè)計經(jīng)濟的相當高精度的測溫系統(tǒng)。（魯冰）

來源:0次