温度传感器电路的设计方案

温度检测和控制应用的范围非常广泛，所以有许多设计可供选择。本方案提供深层次设计信息和电路，用于使用最流行的热传感器构建热检测信号链。

一般而言，设计热检测和控制系统的第一步是确定必须检测的温度范围以及工作环境温度范围。下一步是选择热传感器。热传感器的类型主要有四种：硅、热敏电阻、RTD 和热电偶。Maxim 提供完备的信号链方案或集成 IC，可接收温度变送器信号、对其进行处理，以及提供返回至控制器件的模拟或数字通信通路。

设计温度传感器电路的第一步是选择将使用的温度变送器。为实现以上目的，就需要了解被测量介质（空气、水，液体、固体）和测量温度范围。然后需要知道在测量范围内需要达到的测量精度。

常见的温度变送器包括：

在保证传感器量程必须满足应用的同时，通常还有附加选择标准，包括传感器的安装以及信号链和传感器的成本。

选定变送器后，下一步是确定如何从变送器提取有用信号并将其传输至控制器。信号析取电路称为信号链。对于每种变送器，有多种信号链可供选择，包括单芯片方案。影响选择使用哪种信号链的因素包括准确度、灵活性、设计便利性以及成本。

热电偶

热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。金属丝之间的触点所产生的电压与温度近似成比例关系。其特性包括宽温范围（可高达+1800°C）、低成本（与封装有关）、输出电压非常低（K 型热电偶的输出大约为 40μV/°C）、合理的线性度，以及中等复杂的信号调理。热电偶要求第二个温度传感器（冷端补偿）作为温度基准，信号调理要求查找表或算法修正。

下表所示为常见的热电偶类型的输出电压与温度关系：

下图（图 1）曲线所示为温度量程范围内的电压输出。该曲线具有合理的线性度，尽管它相对于绝对线性具有明显的偏差。

图 1. K 型热电偶输出电压和温度关系。

下图所示为相对于直线近似的偏差，假设平均灵敏度为 41.28µV/°C 时在 0°C 至+1000°C 范围内为线性输出。为提高准确度，可通过计算实际值或利用查找表进行线性度修正。

图 2. K 型热电偶相对于直线近似的偏差。

如果温度范围较窄，热电偶输出非常低，利用热电偶测量温度就比较困难。由于热电偶金属丝连接到信号调理电路的铜线（或引线）时，在触点位置又会产生额外的热电偶，进一步加剧了测量的复杂性。该接触点被称为冷端（见图 3）。

图 3. 热电偶电路简图。

图 4 所示为完整的热电偶至数字输出电路。精密运放和精密电阻为热电偶输出信号提供增益。通过监测冷端位置处的温度传感器来修正冷端温度，由 ADC 提供所需分辨率的输出数据。一般情况下，需要通过校准来修正放大器失调电压，以及电阻、温度传感器和电压基准误差，并且必须进行线性化，来修正热电偶非线性温度 - 电压关系的影响。

图 4. 热电偶信号调理电路示例。

Maxim 制造的专用单芯片热电偶接口可为各种类型的热电偶实现信号调理功能，从而简化了设计工作，并大大减少放大、冷端补偿及数字化热电偶输出所需的元件数量。IC 列于“电路图”标签页。

Maxim 热电偶方案

Maxim 提供适用于热电偶传感器的单芯片和分立式信号链方案。Maxim 的单芯片热电偶至数字输出接口 IC 为 MAX31855。

电阻温度检测器 — RTD

RTD 本质上是阻值随温度变化的电阻。其特性包括宽温范围（高达 800°C）、卓越的精度和可重复性、合理的线性度，以及必要的信号调理功能。RTD 的信号调理通常包括一个精密电流源和一个高分辨率 ADC。尽管 RTD 的标准化程度较高，根据基材的不同，其成本会较高。铂是最常见的 RTD 材料，铂 RTD 表示为 PT-RTD，其准确度最高；其它 RTD 材料包括镍、铜和钨（罕见）。RTD 的形式有探头、表贴封装以及裸线。

确定 RTD 可用量程的一个因素是 RTD 封装。通过将铂沉积在陶瓷基片上或将铂丝安装在封装内，可制成 RTD。基片或封装相对于铂元件的膨胀率差异会引起附加误差。

对于 PT-RTD，最常见的阻值为：0°C 时，标称阻值为 100Ω （PT100）、500Ω（PT500）和 1kΩ （PT1000），当然也有其它电阻值。0°C 和+100°C 之间的平均斜率称为阿尔法（α）。该值与铂中的杂质及其密度有关。最常见的两个α值是：0.00385 和 0.00392，分别对应于 IEC 751 （Pt100）和 SAMA 标准。

阻值与温度的关系曲线具有适当的线性度，但有一定弯曲，可由 Callendar-Van Dusen 方程表示：

R（T） = R0（1 + aT + bT2 + c（T - 100）T3）

关于该公式的更多信息请参考 Maxim 热管理设计手册。

下图（图 5）所示为一个 PT100 RTD 的阻值 - 温度曲线，利用α进行了直线近似。注意，直线近似在 -20°C 至+120°C 范围内的精度优于±0.4°C。

图 5. PT100 RTD 电阻与温度的关系曲线，同时也显示了 0°C 至+100°C 范围内的直线近似。

图 6 所示为实际阻值与利用直线近似计算值之间的误差（单位为摄氏度）。

图 6. PT100 的非线性，与基于 0°C 至+100°C 斜率的线性近似比较。

简单 2 线 RTD 的信号调理通常包括一个精密电阻（基准电阻），与 RTD 串联。对 RTD 和精密基准电阻施加电流的电流源，连接至高分辨率 ADC 的输入。基准电阻两端的电压为 ADC 的基准电压。ADC 的转换结果为 RTD 电阻与基准电阻之比。图 7 所示为简单 RTD 信号调理电路示例。

有几种常见变种。电流源可能集成至 ADC，或者可能省去电流源并利用电压源为 RTD-RREF 分压器提供偏压。因为电压源只有在连接 RTD 和电路的线阻极低时才具有高准确度结果，所以该方法不像电流源那么常见。

图 7. RTD 信号调理简化图。

3 线或 4 线 RTD 接口

如果 RTD 的电缆电阻较大（对 PT100 而言通常为数 mΩ），一般使用 3 线或 4 线 RTD。4 线接口采用加载和感应连接 RTD，以消除线阻效应；3 线提供一种折中方案，部分抵消线阻效应。尽管外部线性电路可在有限温度范围内提供较好的线性化，但通常使用查找表实现线性化。

为测量 RTD 的电阻，必须有一个小电流（大约 1 mA）通过传感器，产生必要的电压降。高电流致使 RTD 的铂元素加热至 RTD 的环境温度以上（也称为焦耳热效应）。热量与 RTD 中的电功率（P=I2R）以及 RTD 检测元件与 RTD 环境之间的热传递成比例。

最常用的 RTD 容限标准有美国标准（ASTM E1137） A 级和 B 级，以及欧盟标准 IEC 751 A 级和 B 级。

其中|t|为绝对温度值，单位为°C。

Maxim RTD 方案

Maxim 提供单芯片和分立式信号链方案，用于 RTD 传感器。Maxim 的单芯片 RTC 至数字输出接口为 MAX31865。

热敏电阻

热敏电阻是一种热变电阻，一般由半导体材料制成，如金属氧化物陶瓷或高分子材料。应用最广泛的热敏电阻是负温度系数（NTC）电阻。热敏电阻可以是探头、表贴、裸线等不同形式的专用封装。

热敏电阻能够测量中等温度范围（通常可达+150°C，有些热敏电阻可以测量更高温度），成本为中 / 低等（取决于准确度），线性度虽然较差，但具有可重复性。热敏电阻的线性度随温度波动较大。在 0°至 70°C 温度范围内，热敏电阻的非线性可达±2°C 至±2.5°C；在 10°至 40°C 温度范围内的典型非线性可达±0.2°C。

使用热敏电阻的一种简单、常见方法是使用分压器，如图 8 所示，其中的一个热敏电阻和一个定值电阻形成一个分压器，其输出被一个模数转换器（ADC）数字化。

图 8. 图中的基本电路说明了热敏电阻如何连接至 ADC。电阻 R1 和热敏电阻形成一个分压器，其输出电压依赖于温度。

NTC 热敏电阻在较宽温度范围内的负温度系数较大。常见 NTC 的电阻值与温度之间的关系请参见图 9。对于较宽温度范围内的线性和对数修正，这是个问题。

图 9. 标准 NTC 的电阻 - 温度曲线。标称电阻为 10kΩ @ +25°C。注意曲线（a）的非线性和较高负温度系数。曲线（b）为对数坐标，也呈现明显的非线性。

NTC 在较宽温度范围内的非线性会影响选择用于数字化温度信号的 ADC。由于图 9 中的曲线斜率在极温时下降明显，所以与 NTC 一起使用的任何 ADC 的有效温度分辨率在这些极温下都受限，这就通常要求使用高分辨率 ADC。

如图 8 所示一样，将 NTC 与定值电阻组合使用，可提供一定的线性度，如图 10 所示。通过选择合适的定值电阻值，可将曲线上线性度最好的温度范围平移至满足具体的应用需求。

图 10. 如图 9 所示设计一个 NTC 分压器有助于在有限的温度范围内线性化 NTC 的阻值曲线。NTC 和外部电阻 R1 上的电压表示为温度的函数。注意电压在 0°C 至+70°C 范围内大体呈线性。

对于较宽温度范围的应用，常见方法是使用 Steinhart–Hart 方程，这提供了三阶近似。Steinhart–Hart 方程中，200°C 温度范围内的误差一般小于 0.02⁰C。

Maxim 热敏电阻方案

Maxim 生产几款基于单芯片热敏电阻的不同数字输出 IC。MAX31865 设计用于 RTD，也是用于热敏电阻的极好选择。

硅传感器

硅温度传感器具有模拟或数字输出。尽管硅传感器的温度范围有限，但易于使用，并且许多具有附加功能，例如温度监控器功能。

模拟温度传感器

如果需要通过电流环路将输出发送至监测设备，模拟温度传感器非常有用。这种情况下也可转换为数字输出，但信号经过两个额外的转换步骤。

模拟温度传感器 IC 利用双极晶体管的热特性来形成一路与温度成正比的输出电压，有些情况下为电流。

最简单的模拟温度传感器只有三个有源连接：地、电源电压输入和输出。其它具有增强特性的模拟传感器还有更多的输入或输出，例如比较器或电压基准输出。

图 11 所示为典型的模拟温度传感器， MAX6605 的输出电压 - 温度曲线；图 12 所示为该传感器相对于直线的偏差。在 0°C 至+85°C 温度范围，线性度大约在±0.2°C 之内，这相对于热敏电阻、RTD 及热电偶来说是相当好的。

图 11. MAX6605 模拟温度检测 IC 的输出电压 - 温度曲线。

图 12. MAX6605 输出电压相对于直线的偏差。从 0°C 至+85°C 内的线性度在大约±0.2°C 范围之内。

模拟温度传感器可具有非常优异的准确度。例如，DS600 在 -20°C 至+100°C 范围内的保证准确度为±0.5°C；也有误差容限较大的模拟传感器，但是其中许多都具有非常小的工作电流（数量级为最大 15µA），并且封装很小（例如 SC70）。

数字温度传感器

将一个模拟温度传感器与一个 ADC 集成在一起，是创建具有直接数字接口的温度传感器的简单方式。这样的器件通常被称为数字温度传感器或本地数字温度传感器。“本地”是指传感器测量的是其自身的温度，而远端传感器测量的是外部 IC 或分立式晶体管的温度。

图 13 所示为两个数字温度传感器的框图。图 13a 所示为一个简单测量温度的传感器，并通过一个 3 线数字接口输出结果数据。图 13b 所示的器件具备更多特性，例如过温 / 欠温输出、为这些输出设置触发门限的寄存器，以及 EEPROM。

图 13. 本地数字温度传感器框图。（a） 带有串行数字输出的简单传感器。（b） 具有更多功能的传感器，例如过温 / 欠温报警输出和用户 EEPROM。

使用数字温度传感器的好处之一是传感器的准确度指标内包括了在将温度值数字化时所产生的所有误差；相比之下，模拟温度传感器的规定误差还必须加上 ADC、放大器、电压基准或传感器所使用的其它元件的规定误差。极高性能数字温度传感器的例子之一是 MAX31725，在 -40°C 至+105°C 温度范围内的准确度达到±0.5°C。MAX31725 可用于 -55°C 至+125°C 温度范围，最大温度误差只有±0.7°C，分辨率为 16 位（0.00390625°C）。

大多数数字温度传感器都具有一路或多路输出来指示实测温度已经超出了预设（通常软件可编程）限值。输出行为可以像一个比较器输出一样，当温度高于门限时为一种状态，当温度低于门限时为另一种状态。另一种常见的输出实现方法就像一个中断，只有主控设备采取动作进行响应后才会被复位。

数字温度传感器可带有各种各样的数字接口，包括 I2C、SMBusTM、SPITM、1-Wire®和 PWM。