【導讀】NTC熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著(zhù)溫度的變化而改變。我們經(jīng)?？梢栽跍y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(guān)知識點(diǎn)，包括NTC選擇、ADC選擇與配置，以及如何使用NTC熱敏電阻進(jìn)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(lái)源：ADI）
激勵電流源/電壓源
兩種常見(jiàn)的激勵方式包括電流源與電壓源，兩者的特性比較如下：
NTC熱敏電阻阻值的選擇
對于電流激勵來(lái)說(shuō)，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(chǎn)生的電壓始終在后續電路的采集范圍內。
對于電壓激勵來(lái)說(shuō)，標稱(chēng)電阻低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵。然而，用戶(hù)必須確保通過(guò)傳感器的電流在任何時(shí)候對傳感器本身或應用而言都不會(huì )太大。
當使用標稱(chēng)電阻大、溫度范圍大的熱敏電阻時(shí)，電壓激勵更容易實(shí)現。較大的標稱(chēng)電阻確保標稱(chēng)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(gè)溫度范圍內處于可接受的水平。
可編程增益級vs.動(dòng)態(tài)激勵電流
熱敏電阻在低溫度下具有較大的電阻，則會(huì )導致激勵電流值非常低, 而在高溫下通過(guò)熱敏電阻產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)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(zhù)變化時(shí)，需要動(dòng)態(tài)編程增益。
另一種方法是，增益固定不變，但使用動(dòng)態(tài)激勵電流。隨著(zhù)熱敏電阻信號電平的變化，激勵電流值會(huì )動(dòng)態(tài)變化，從而使熱敏電阻上產(chǎn)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(dòng)態(tài)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(zhuān)用ADC芯片來(lái)簡(jiǎn)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(shí)，有很多優(yōu)勢。
圖2：ADI的AD712424位Σ-Δ型ADC（圖片來(lái)源：ADI）
Σ-Δ型ADC在設計熱敏電阻測量系統時(shí)具有多種優(yōu)勢。首先，Σ-Δ型ADC對模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣，因此可以簡(jiǎn)化外部濾波電路設計，僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器即可。這在濾波器類(lèi)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(lái)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(kāi)發(fā)板如下，大家可以根據設計開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行選擇。
熱敏電阻電路配置比率配置
無(wú)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(lái)自同一激勵源。這意味著(zhù)激勵源的任何變化都不會(huì )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(guò)RREF產(chǎn)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(lái)源：ADI）
當傳感器離主電路很遠時(shí)，由于激勵電流源對靈敏度的優(yōu)秀控制能力和更好的抗噪性，通常是首選。這種偏置技術(shù)通常用于電阻值較低的RTD或熱敏電阻。
例如，25°C時(shí)10k?熱敏電阻的電阻為10 k?。-50°C時(shí)，NTC熱敏電阻電阻為441.117 k?。AD7124提供的最小激勵電流為50μA，產(chǎn)生的電壓441.117k? × 50μA = 22 V，太高，超出了此應用領(lǐng)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加一個(gè)串聯(lián)的電流傳感器，將使流過(guò)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(chēng)溫度下時(shí)，輸出電壓將設置為參考電壓的中間值。
圖4：配置激勵電壓源（圖片來(lái)源：ADI）
同樣，25°C時(shí)熱敏電阻阻值為10k?，RSENSE也為10k?。當溫度變化時(shí)，NTC熱敏電阻的電阻也會(huì )變化，熱敏電阻上的激勵電壓分量也會(huì )變化，從而產(chǎn)生與NTC熱敏電阻電阻成比例的輸出電壓。
如下圖，當提供熱敏電阻和RSENSE的激勵電壓VREF與用于測量的ADC參考電壓相同，則系統可以配置為比率測量，以便消除與激勵電壓源相關(guān)的任何誤差。
圖5：熱敏電阻比率配置（圖片來(lái)源：ADI）
注意，電流傳感器（電壓激勵）或參考電阻（電流激勵）需要具有低初始容差和低漂移，因為這兩個(gè)變量都有助于提高整體系統的精度。
使用多個(gè)熱敏電阻
當使用多個(gè)熱敏電阻時(shí)，可以使用單個(gè)激勵電壓。
圖6：多個(gè)熱敏電阻的模擬輸入配置測量（圖片來(lái)源：ADI）
然而，每個(gè)熱敏電阻必須有自己的精密參考電阻，如上圖所示，另一種選擇是使用外部多路復用器或具有低導通電阻的開(kāi)關(guān)，這允許共享單個(gè)精密感測電阻。當使用這種配置時(shí)，每個(gè)熱敏電阻在測量中都需要一些穩定時(shí)間。
更多NTC相關(guān)內容
以下是一些有關(guān)NTC的實(shí)用技術(shù)資料，可供大家參考。
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● 測量NTC熱敏電阻的精確值
在測量NTC熱敏電阻的值時(shí)，對環(huán)境溫度的精確控制顯得尤為重要。以下注意事項也許對你有所幫助。
1. 測量過(guò)程中切勿觸摸組件和電路板，因為你的體溫會(huì )影響測量結果。應盡量避免對著(zhù)組件呼吸，并限制組件附近的空氣流動(dòng)。
2. NTC熱敏電阻應放置在測量區域附近。如果溫度計與測量區域的距離較遠，則測量區域的溫度可能與溫度計的溫度不同。
3. 請參考電阻與溫度表，并注意測量溫度的具體值。
4. 由于在空氣中進(jìn)行高精度測量非常困難，村田（Murata）建議在液池中測量電阻值，這樣可確保較高的精確度。
本文小結
在設計基于熱敏電阻的溫度測量系統時(shí)，有多個(gè)需要考慮的問(wèn)題，如：NTC熱敏電阻選擇、采用電流激勵還是電壓激勵、ADC如何配置，以及這些不同變量如何影響整體系統精度。仔細考慮才能讓開(kāi)發(fā)工作事半功倍。
來(lái)源：得捷電子DigiKey
原創(chuàng )：Alan Yang
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