作者：Jellenie RodriguezandMary McCarthy

介紹

這是由兩部分組成的系列文章中的第一篇文章。第1部分將首先討論基于熱敏電阻的溫度測量系統的歷史和設計挑戰，以及它與基于電阻溫度檢測器（RTD）的溫度測量系統的比較。它還將概述熱敏電阻的選擇、配置權衡以及Σ-Δ模數轉換器（ADC）在該應用領域中的重要性。第2部分將詳細介紹如何優化以及如何評估基于熱敏電阻的最終測量系統。

熱敏電阻與RTD

如文章“如何選擇和設計最佳RTD溫度檢測系統”中所述，RTD是一種電阻器，其電阻隨溫度的變化而變化。熱敏電阻的工作方式與RTD類似。與僅具有正溫度系數的RTD不同，熱敏電阻可以具有正或負溫度系數。負溫度系數（NTC）熱敏電阻隨著溫度的升高而降低其電阻，而正溫度系數（PTC）熱敏電阻隨著溫度的升高而增加其電阻。圖1顯示了典型NTC和PTC熱敏電阻的響應特性，以及它們與RTD曲線的比較情況。

圖1.熱敏電阻與RTD的響應特性

在溫度范圍方面，RTD曲線接近線性，由于熱敏電阻的非線性（指數）特性，傳感器覆蓋的溫度范圍比熱敏電阻寬得多（通常為–200°C至+850°C）。RTD通常以眾所周知的標準化曲線提供，而熱敏電阻曲線因制造商而異。我們將在本文的熱敏電阻選擇指南部分詳細討論這一點。

熱敏電阻由復合材料組成，通常是陶瓷、聚合物或半導體（通常是金屬氧化物），與純金屬（鉑、鎳或銅）制成的RTD相比，它們更小、更便宜，但并不堅固。熱敏電阻可以比RTD更快地檢測溫度變化，從而提供更快的反饋。因此，熱敏電阻是需要低成本、小尺寸、更快響應速率、更高靈敏度和溫度范圍受限的應用中使用的傳感器，例如監控電子設備、家庭和樓宇控制、科學實驗室或商業或工業應用中用于熱電偶的冷端補償。

在大多數情況下，NTC熱敏電阻而不是PTC熱敏電阻用于精密溫度測量應用。有一些可用的PTC熱敏電阻用于過流輸入保護電路或作為安全應用的可復位保險絲。PTC熱敏電阻的電阻溫度曲線在達到其開關點（或居里點）之前表現出非常小的NTC區域，超過該區域，電阻在幾攝氏度的跨度內急劇增加幾個數量級。因此，在過流條件下，PTC熱敏電阻在開關溫度之外將具有很高的自發熱，其電阻將急劇增加，從而導致輸入到系統的電流減少，從而防止損壞發生。PTC熱敏電阻的開關點通常在60°C至120°C之間，不適合在寬范圍應用中監測溫度測量。本文重點介紹通常可以測量或監測–80°C至+150°C溫度的NTC熱敏電阻。 NTC熱敏電阻的標稱電阻為25°C，范圍從幾歐姆到10 MΩ。如圖1所示，與RTD相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更為顯著。與RTD相比，熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路更簡單，因為熱敏電阻不需要任何特殊的布線配置，例如3線或4線來補償引線電阻。熱敏電阻設計僅使用簡單的2線配置。

表1顯示了RTD、NTC和PTC熱敏電阻的優缺點。

基于熱敏電阻的溫度測量挑戰

基于熱敏電阻的高精度和精確溫度測量需要精確的信號調理、模數轉換、線性化和補償，如圖2所示。雖然信號鏈看起來簡單明了，但涉及幾個復雜的因素也會影響整個系統板的尺寸、成本和性能。ADI的精密ADC產品組合中提供多種集成解決方案，例如AD7124-4/AD7124-8，由于應用所需的大多數構建模塊都是內置的，因此在設計溫度系統時具有多種優勢。然而，設計和優化基于熱敏電阻的溫度測量解決方案存在不同的挑戰。

圖2.典型的NTC熱敏電阻測量信號鏈模塊。

挑戰包括：

市場上有各種各樣的熱敏電阻。

如何為我的應用選擇合適的產品？

與RTD一樣，熱敏電阻是無源器件，不會自行產生電輸出。激勵電流或電壓用于通過小電流通過傳感器以產生電壓來測量傳感器的電阻。

如何選擇電流/電壓？

熱敏電阻信號應該如何調節？

如何調整上述變量，以便轉換器或其他構建塊在其規范范圍內使用？

連接系統中的多個熱敏電阻：傳感器是如何連接的？某些塊可以在不同的傳感器之間共享嗎？對整體系統性能有何影響？

熱敏電阻的主要關注點是其非線性響應和系統精度。

我的設計的預期誤差是多少？

使用哪些線性化和補償技術來實現目標性能？

本文討論了這些挑戰中的每一個，并就如何解決這些問題并進一步簡化設計此類系統的過程提供了建議。

熱敏電阻選型指南

目前市場上有各種各樣的NTC熱敏電阻可供選擇，因此為您的應用選擇特定的熱敏電阻可能非常具有挑戰性。請注意，熱敏電阻按其標稱值列出，即25°C時的標稱電阻。 因此，10 kΩ熱敏電阻在25°C時的標稱電阻為10 kΩ。 熱敏電阻的標稱或基極電阻值從幾歐姆到10 MΩ。具有低標稱電阻（10 kΩ或更小標稱電阻）的熱敏電阻通常支持較低的溫度范圍，例如–50°C至+70°C。 具有較高標稱電阻的熱敏電阻支持高達300°C的溫度。

熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有磁珠、徑向和SMD形式。磁珠熱敏電阻采用環氧涂層或玻璃封裝，可提供額外保護。環氧樹脂涂層磁珠熱敏電阻、徑向和 SMD 熱敏電阻適用于高達 150°C 的溫度。 玻璃鍍膜珠子熱敏電阻適用于高溫測量。所有類型的涂層/包裝還可以防止腐蝕。一些熱敏電阻還將具有額外的外殼，以在惡劣環境中增加進一步的保護。磁珠熱敏電阻比徑向/SMD熱敏電阻具有更快的響應時間。但是，它們并不那么強大。因此，使用的熱敏電阻類型取決于最終應用和熱敏電阻所在的環境。熱敏電阻的長期穩定性取決于其材料及其封裝和結構。例如，環氧樹脂涂層NTC熱敏電阻每年可變化0.2°C，而密封熱敏電阻每年僅變化0.02°C。

熱敏電阻具有不同的精度。標準熱敏電阻的精度通常為0.5°C至1.5°C。 熱敏電阻對其標稱電阻值和β值（25°C至50°C/85°C關系）具有容差。請注意，熱敏電阻的β值取決于制造商。例如，來自不同制造商的10 kΩ NTC熱敏電阻將具有不同的β值。對于更高精度的系統，可以使用Omega? 44xxx系列等熱敏電阻。在 0°C 至 70°C 的溫度范圍內，它們的精度為 0.1°C 或 0.2°C。 因此，被測量的溫度范圍以及整個溫度范圍內所需的精度決定了熱敏電阻是否適合該應用。請注意，歐米茄44xxx系列越準確，其成本就越高。

因此，要使用的熱敏電阻取決于：

被測溫度范圍

所需的精度

使用熱敏電阻的環境

長期穩定性

線性化：貝塔與斯坦哈特-哈特方程

要從電阻轉換為攝氏度，通常使用貝塔值。β值是通過知道兩個溫度點和每個溫度點的相應電阻來確定的。

哪里：

RT1= 溫度 1 時的電阻

RT2= 溫度 2 時的電阻

T1= 溫度 1 （K） T2= 溫度 2 （K）

熱敏電阻的數據手冊通常列出兩種情況下的β值：

兩種溫度分別為25°C和50°C

兩種溫度分別為25°C和85°C

用戶使用最接近設計中使用的溫度范圍的 beta 值。大多數熱敏電阻數據手冊列出了β值以及25°C時的電阻容差和β值的容差。

Omega 44xxx系列等更高精度熱敏電阻和更高精度的終端解決方案使用斯坦哈特-哈特方程從電阻轉換為攝氏度。從公式2中可以看出，需要三個常數——A、B和C，傳感器制造商再次提供這些常數。由于方程的系數是使用三個溫度點生成的，因此得到的方程將線性化引起的誤差降至最低（線性化引起的誤差通常為0.02°C）。

哪里：

A、B 和 C 是從三個溫度測試點得出的常數。

R = 熱敏電阻的電阻（Ω

T = 溫度，單位為 K

電流/電壓激勵

圖3顯示了傳感器的電流激勵。激勵電流施加到熱敏電阻，相同的電流施加到精密電阻器;用作測量基準的精密電阻。基準電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值（取決于系統中測量的最低溫度）。在選擇激勵電流的大小時，必須再次考慮熱敏電阻的最大電阻。這可確保傳感器和基準電阻兩端產生的電壓始終處于電子設備可接受的水平。激勵電流源需要一定的裕量或輸出一致性。如果熱敏電阻在被測的最低溫度下具有較大的電阻，則會導致激勵電流值非常低。因此，在高溫下，熱敏電阻兩端產生的電壓很小。為了優化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。但是，增益需要動態編程，因為來自熱敏電阻的信號電平隨溫度變化顯著。

圖3.熱敏電阻的電流激勵。

另一種選擇是設置增益，但使用動態激勵電流。因此，當來自熱敏電阻的信號電平發生變化時，激勵電流值會動態變化，從而使熱敏電阻兩端產生的電壓在電子設備的指定輸入范圍內。用戶必須確?；鶞孰娮鑳啥水a生的電壓也處于電子設備可接受的水平。這兩種選擇都需要高水平的控制，持續監控熱敏電阻兩端的電壓，以確保電子設備可以測量信號。有更簡單的選擇嗎？讓我們看看電壓激勵。

圖4.熱敏電阻的電壓激勵。

當熱敏電阻被恒定電壓激勵時，通過熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻電阻的變化而自動縮放。現在不再使用基準電阻，而是使用精密檢測電阻，其目的是計算流過熱敏電阻的電流，以便計算熱敏電阻電阻。由于激勵電壓也用作ADC基準，因此無需增益級。在監控熱敏電阻兩端的電壓、確定信號電平是否可以由電子設備測量以及計算需要調整的增益/激勵電流值方面，處理器沒有工作量。這是本文中使用的方法。

熱敏電阻電阻范圍/激勵

如果熱敏電阻的標稱電阻和電阻范圍較小，則可以使用電壓或電流激勵。在這種情況下，激勵電流和增益可以固定。因此，電路如圖3所示。這種方法很有用，因為流過傳感器和基準電阻的電流是可以控制的，這在低功耗應用中很有價值。此外，熱敏電阻的自發熱也降至最低。

也可以對標稱電阻較低的熱敏電阻使用電壓激勵。但是，用戶必須確保通過傳感器的電流在任何時候都不會太大，對于傳感器本身或應用而言。

當使用具有大標稱電阻和大溫度范圍的熱敏電阻時，電壓激勵使實現更容易。較大的標稱電阻可確保標稱電流處于合理水平。但是，設計人員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。

Σ-Δ型ADC在基于熱敏電阻的應用中的重要性

Σ-Δ型ADC在設計熱敏電阻測量系統時具有多種優勢。首先，由于Σ-Δ型ADC對模擬輸入進行過采樣，因此外部濾波被最小化，唯一的要求是一個簡單的RC濾波器。它們在選擇濾波器類型和輸出數據速率方面提供了靈活性。內置數字濾波可用于抑制市電供電設計中來自主電源的任何干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位器件的峰峰值分辨率最大為21.7位，因此具有高分辨率。

其他好處是：

模擬輸入的寬共模范圍

基準輸入的寬共模范圍

能夠支持比率配置

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括：

職業高爾夫球協會

內部參考

基準/模擬輸入緩沖器

校準功能

使用Σ-Δ型ADC可顯著簡化熱敏電阻設計，同時降低BOM、系統成本、電路板空間和上市時間。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作為ADC，因為它們是低噪聲、低電流精密ADC，集成PGA、嵌入式基準電壓源、模擬輸入和基準電壓緩沖器。

熱敏電阻電路配置 — 比率式配置

無論使用激勵電流還是激勵電壓，都建議使用比率配置，其中基準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精度。

圖5顯示了為熱敏電阻和精密電阻R供電的恒定激勵電流裁判，R兩端產生的電壓裁判作為熱敏電阻測量的基準電壓。激勵電流不需要精確，并且可能不太穩定，因為在此配置中將消除激勵電流中的任何誤差。激勵電流通常優于電壓激勵，因為它對靈敏度的出色控制，并且當傳感器位于偏遠地區時具有更好的抗噪性。這種類型的偏置技術通常用于具有低電阻值的RTD或熱敏電阻。但是，對于電阻值較高且靈敏度較高的熱敏電阻，根據溫度變化產生的信號電平會更大，因此使用電壓激勵。例如，10 kΩ熱敏電阻在25°C時的電阻為10 kΩ。 ?50°C時，NTC熱敏電阻電阻為441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8提供的最小激勵電流為50 μA，產生441.117 kΩ×50 μA = 22 V的電壓，該電壓過高，超出了該應用領域中使用的大多數可用ADC的工作范圍。熱敏電阻通常也連接或位于電子設備附近，因此不需要激勵電流的抗噪優勢。

圖5.配置恒流源。

圖6顯示了用于在NTC熱敏電阻兩端產生電壓的恒定激勵電壓。以分壓器電路的形式添加串聯檢測電阻，將熱敏電阻上的電流限制在其最小電阻值。在此配置中，檢測電阻的值為 R意義，必須等于熱敏電阻在基準溫度為25°C時的電阻大小，以便在標稱溫度為25°C時，輸出電壓將設置為基準電壓的中間電平值。 同樣，如果使用在25°C時電阻為10 kΩ的10 kΩ熱敏電阻，則R意義必須等于 10 kΩ。當溫度變化時，NTC熱敏電阻的電阻也會發生變化，熱敏電阻兩端的激勵電壓分數也會發生變化，從而產生與NTC熱敏電阻電阻成比例的輸出電壓。

圖6.配置分壓器電路。

如果選擇用于為熱敏電阻供電的基準電壓和/或 R意義與用于測量的ADC基準電壓源相同，然后系統配置為比率測量（圖7），以便消除與激勵電壓源相關的任何誤差。

圖7.熱敏電阻比率配置測量。

請注意，檢測電阻（電壓激勵）或基準電阻（電流激勵）需要具有低初始容差和低漂移，因為這兩個變量都會影響整體系統精度。

當使用多個熱敏電阻時，可以使用單個激勵電壓。但是，每個熱敏電阻必須有自己的精密檢測電阻，如圖8所示。另一種選擇是使用具有低導通電阻的外部多路復用器或開關，這允許共享單個精密檢測電阻。使用這種配置時，每個熱敏電阻在測量中都需要一些建立時間。

圖8.多個熱敏電阻的模擬輸入配置測量。

總之，在設計基于熱敏電阻的溫度系統時，存在多個問題：傳感器選擇、傳感器連接、元件選擇方面的權衡、ADC配置以及這些不同變量如何影響整體系統精度。本系列的下一篇文章將介紹如何優化系統設計和整體系統誤差預算以實現目標性能。

審核編輯：郭婷