热敏电阻结合高分辨∑△A/D变换器测量温度

技术分类: 模拟设计  | 2006-08-12
来源:电子产品世界 | 作者: Analog Devices

  温度是工业、消费类和计算机应用中最普遍测量的变量之一,而热敏电阻是监控这种物理条件主要手段之一。但必须在数字或模拟范围线性化热敏电阻输出以获得精确测量。也必须为热敏电阻本身自热效应选择激励源和补偿。过热所引起的误差导致器件电阻变化,使误差进入测量系统。

  在测量温度的大多数应用中,必须把测量值从模拟变为数字形式。采用高精度∑△变换器可大大减少变换所需的大量信号调理元件,这是一种高精度、低成本系统实现方案。

       测温用热敏电阻

  热敏电阻是用半导体材料制作的电路元件,它们有高负温度系数(NTC)或高正温度系数(PTC)特性。一个NTC热敏电阻相当于一个电阻器,温度系数范围为 -3%~-5%/℃。热敏电阻器,绝对值输出在其工作温度范围的变化为万分之一。高灵敏度使热敏电阻电路能检测温度的瞬间变化,而热耦或RTD不可能做到。NTC热敏电阻最适合 精密温度测量,PTC热敏电阻更适合开关应用。

  在很多应用中,热敏电阻显示出高稳定性、精密、小尺寸、灵活性和价廉的特点。它们也具有快速响应时间,属于最灵敏

温度传感器之列。工程师、科学家和技术为员把热敏电阻用于通信、仪器、汽车、医学、航空、航天以及消费类等应用。

  热敏电阻温度曲线可用Steinhart-Hart方程近似表示:

  1/T=A+B(lnR)+C(lnR)3

  式中T:温度(k)

  R:热敏电阻阻值(Ω)

  A、B、C:曲线拟合常数

  选择数据曲线的3个数据点解3个联立方程就可求出A、B、C。所选数据点间距不超过热敏电阻温度范围标定中点100℃时,方程近似±0.02℃曲线拟合。

       高分辨率数据采集  

为低温测量应用提供模拟前端的AD7711

  在数据采含有应用中,需要高分辨率A/D变换器把测量电路所含热敏电阻产生的信号进行数字化。Analog Devices公司的AD7711(见图1)是一款信号调理A/D变换器,特别适合采用热敏电阻测温应用。

  这种集成解决方案提供片上电源和电压基准,可用一个恒流源或一个比值电压激励热敏电阻。AD7711也包含可编程增益放大器,提供1~128增益,使前端信号范围达20mV~2.5V(单极)和±20mV~±2.5V(双极)。AD7711在∑△调制器中采用多样方法实现数字化所需要的增益,避免了与分立信号调理电路有关的噪声和失调问题。

  模拟输入是差分输入,共模抑制大于90dB(达几kHz)。这种输入可排除来自测量大的DC电压。基准输入也是差分形式,使在前端比值工作。

  片上∑△处理提供高笥能滤波。片上滤波主要好处是:可从输入信号排除主频分量和传感器激励频率,在应用中必须去掉这些频率。

  除衰减之外,此滤波器提供120dB衰减陷波滤波。陷波滤波可设置在50Hz或60Hz,以消除来自系统的线频率分量。片上数字滤波不仅仅提供带外信号衰减而且也降低了防假频要求(由于在∑△处理中采用高过取样率的结果)。

  可以消除A/D变换器所引起的失调和增益误差,采用的方法是在输入加已知电压和所希望的代码输出比较,并根据A/D变换差分计算失调和增益校正因数。片上校正不仅仅消除了由A/D变换器所引起的失调和增益误差,而且也消除了发生在前级电路中的误差。AD7711所采用的表面贴装封装(SOIC)特适合板面积受限制的集成设计。

  在便携仪器或手持保健产品中,电源是额外费用。AD7705 A/D变换器列适合这些应用。它的功耗只有1mW,而且有与AD7711相同的信号处理前端、∑△调制器和数字滤波器(它没有片上电流源或基)。

       电流激励的传感电阻应用电路  

用AD7711数字化热敏电阻的电路

  图2所示电路是用AD7711数字化热敏电阻所产生的输出电压,采用片上200μA电流源。

  此电路中所用热敏电阻是Betatherm Ireland Ltd.的0.3k1A1,在25℃标定电阻300Ω。此电路中激励热敏电阻的同一电流源也产生基准电压。因此,激励电流变化不影响性能。在应用中最普遍的连线配置是4线冲头/感测配置,这种连线配置也可降低引线电阻对系统性能的影响。

  驱动线的引线电阻只改变共模电压而不降低电路性能。感测线的引线电阻是不重要的,这是因为AD7711模拟高输入阻抗连线上没有电流。

  很多应用只用两根线连到热敏电阻,这是因为线过温电阻明显低于热敏电阻元件值。但基准设计电阻器必须具有低温度系数以防止基准电压过温误差。电路工作温度范围是-30℃~100℃。低端限制是电流源输出依从性与有关电路中电压范围所确定的热敏电阻阻抗随温度降低而增加有关。

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