浅谈温度比特转换器解决了温度传感器测量难题

温度，所有人都很熟悉，但却难以准确测量。在现代电子产品时代到来之前，伽利略（Galileo）发明了能够检测温度变化的基本温度计。两百年后，席贝克（Seebeck）发现了热电偶，这种器件能够产生以不同金属的温度变化率为函数的电压。如今，利用热电偶以及受温度影响的电阻元件（RTD和热敏电阻器）和半导体元件（二极管）以电子方式测量温度已较普遍。尽管从这些组件获取温度的方法已为大家熟知，但是以好于0.5℃或0.1℃的准确度测量温度依然富有挑战性。
　　要数字化这些基本传感器元件，就需要专门的模拟电路设计、数字电路设计和固件开发技术。LTC2983将这些专门技术整合到单一IC中，解决了与热电偶、RTD、热敏电阻器以及二极管有关的每一种独特挑战。该器件整合了每种类型传感器所必需的模拟电路和温度测量算法以及线性化数据，以直接测量每种传感器，并以℃为单位输出测量结果。
　　热电偶概述
　　热电偶产生的电压是热电偶尖头（热电偶温度）和电路板上电气连接点（冷接点温度）之间温差的函数。为了确定热电偶温度，需要准确测量冷接点温度，这种方法即大家熟知的冷接点补偿。冷接点温度通常由单独放置在冷接点处的温度传感器（非热电偶）确定。LTC2983允许二极管、RTD和热敏电阻器作为冷接点传感器使用。为了将来自热电偶的电压输出转换成温度，必须求解（利用表或数学函数）高阶多项式（高达14阶）以得到被测电压和冷接点温度。LTC2983内置了用于所有8种标准热电偶（J、K、N、T、R、S、T和B）的多项式，以及用于定制热电偶的用户设定表数据。LTC2983同时测量热电偶输出和冷接点温度，并执行所有必需的计算，然后以℃为单位报告热电偶温度。
　　热电偶：重要的是什么？
　　热电偶产生的输出电压很低（ 满标度时《 100 m V）。由于ADC存在偏移和噪声，所以所测量电压值必须很低。此外，该电压是绝对电压读数，需要准确/低漂移基准电压。LTC2983含有一个低噪声、偏移连续校准的24位增量累加ADC（偏移和噪声《1μV），并具备最大值为10ppm/℃的基准。
　　当热电偶尖头裸露于低于冷接点温度的环境时，热电偶的输出电压还能够低于地。这迫使系统增加第二个负电源或者输入电平移位电路，因此使系统变得更加复杂。LTC2983纳入了一个专有前端，能够用以地为基准的单一电源对信号进行数字化。
　　除了提供很高的测量准确度，热电偶电路还必须采用噪声抑制、输入保护和抗混叠滤波。LTC2983的输入阻抗很高，最大输入电流低于1nA。该器件可以采用外部保护电阻器和滤波电容器，而不会引入额外误差。LTC2983包含一个内置数字滤波器和对50Hz及60Hz的75dB抑制。
　　故障检测是很多热电偶测量系统的重要功能。最常见的故障是开路（热电偶损坏或未插入）。过去，在热电偶输入端加上电流源或上拉电阻器以检测这类故障。这种方式的问题是，这些感应信号导致误差和噪声，并与输入保护电路相互作用。LTC2983包括一个独特的开路检测电路，该电路可在测量周期开始前一刻检查热电偶是否损坏。在这种情况下，开路激励电流/电阻器不干扰测量准确度。LTC2983还报告与冷接点传感器有关的故障。该器件还检测、报告静电放电（ESD）事件，并能够从这类事件中恢复，当在工业环境中使用较长的传感器连线时，有可能发生这类事件。LTC2983还通过其故障报告指示所测温度是否高于/低于特定热电偶预期的温度范围。
　　二极管概述
　　二极管是可用作温度传感器的低价半导体器件。这类器件一般用作热电偶的冷接点传感器。当给二极管加上激励电流时，二极管产生的电压是温度以及所加电流的函数。如果将两个完美匹配、已知比率的激励电流源加到二极管上，那么输出就是可知与温度成比例（PTAT）的电压。
　　二极管：重要的是什么？
　　为了产生具备已知比例的PTAT电压，需要两个高度匹配、成比例的电流源。LTC2983依靠增量累加过采样架构准确地产生这一比率。连接到该ADC的二极管和引线含有未知的寄生二极管效应。LTC2983提供3电流测量模式，消除了寄生引线电阻。不同二极管制造商规定了不同的二极管非理想系数。LTC2983允许单独设定每个二极管的非理想系数。因为测量的是绝对电压，ADC基准电压的值和漂移都很关键。LTC2983包含在工厂中微调过最大值为10ppm/℃的基准。
　　LTC2983自动产生成比例的电流、测量所产生的二极管电压、利用所设定的非理想性数据计算温度并以℃为单位输出结果。该器件还可以用作热电偶的冷接点传感器。如果二极管损坏、短路或插入不正确，那么如果用LTC2983测量冷接点温度，LTC2983就会检测这种故障，并在转换结果输出字以及相应的热电偶测量结果中报告该故障。
　　RTD概述
　　RTD是电阻值随温度变化而改变的电阻器。为了测量一个RTD，将一个准确已知的低漂移检测电阻器串联连接至该RTD。给该网络加上激励电流并进行比例式测量。RTD的电阻值以欧姆为单位，可根据这一比率确定。然后通过查表，用这个电阻值确定传感器元件的温度。LTC2983自动产生激励电流，同时测量检测电阻器和RT D电压，计算传感器电阻，并以℃为单位报告结果。RT D可以在很宽的温度范围内测量温度，从低至200℃到高达850℃。LTC2983可数字化大多数类型的RTD（PT-10、PT-50、PT-100、PT-200、PT-500、PT-1000和NI-120），针对很多标准内置了系数（美国、欧洲、日本和ITS-90标准），并面向定制RTD提供用户设定的表数据。
　　RTD：重要的是什么？
　　典型PT100 RTD的电阻值在温度每变化1/10℃时变化不到0.04Ω，在100μA电流激励时对应4μV信号电平。低ADC偏移和噪声对于准确测量至关重要。测量相对于检测电阻器而言是比例式的，不过在计算温度时，激励电流和基准电压的绝对值不那么重要。
　　以前，RTD和检测电阻器之间的比例式测量是用单个ADC执行的。检测电阻器的压降用作测量RTD压降的ADC之基准输入。这种架构需要10 kΩ或更大的检测电阻器，因此需要缓冲，以防止由ADC基准输入动态电流导致的压降。既然检测电阻器的值至关重要，那么缓冲器就必须是低偏移、低漂移和低噪声的。这种架构使电流源难以轮换，以消除寄生热电偶效应。增量累加ADC的基准输入更易于受到噪声而不是输入的影响，而且低基准电压值可能导致不稳定性。LTC2983的多ADC架构解决了所有这些问题（参见图1）。LTC2983运用了两个高度匹配、有缓冲和自动校准的ADC，一个用于RTD，另一个用于检测电阻器。这些ADC同时测量RTD和Rsense，计算RTD电阻，并依据这些数据查一个基于ROM的表，最终以℃为单位输出RTD温度。