基于热敏电阻的温度测量系统设计

NTC热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。我们经常可以在测温电路中看到他们的身影。本文将介绍NTC热敏电阻测温设计中的相关知识点，包括NTC选择、ADC选择与配置，以及如何使用NTC热敏电阻进行测温。

下面是典型的NTC热敏电阻测温电路拓扑图

图1：典型的NTC热敏电阻测温电路拓扑图(图片来源：ADI)

激励电流源/电压源

两种常见的激励方式包括电流源与电压源，两者的特性比较如下：

激励电流源激励电压源

拓扑结构

激励电流IOUT恒定不变电压VREF恒定不变

特点更好的抗干扰能力

适合NTC热敏电阻远离主电路的应用

通常用于电阻值较低的热敏电阻不用担心热敏电阻电压超过ADC输入电压范围

适合NTC热敏电阻靠近主电路的应用

通常用于电阻值更高、灵敏度更高的热敏电阻

NTC热敏电阻阻值的选择

对于电流激励来说，一般情况下，参考电阻阻值应大于等于NTC热敏电阻最高阻值。而热敏电阻的最高阻值取决于系统中测量的最低温度。这么做的好处是，确保了传感器和参考电阻之间产生的电压始终在后续电路的采集范围内。 对于电压激励来说，标称电阻低的热敏电阻，也可以使用电压激励。然而，用户必须确保通过传感器的电流在任何时候对传感器本身或应用而言都不会太大。

当使用标称电阻大、温度范围大的热敏电阻时，电压激励更容易实现。较大的标称电阻确保标称电流处于合理水平。然而，设计者需要确保电流在应用支持的整个温度范围内处于可接受的水平。

可编程增益级vs.动态激励电流

热敏电阻在低温度下具有较大的电阻，则会导致激励电流值非常低, 而在高温下通过热敏电阻产生的电压很小。为了优化这些低电平信号的测量，可以使用可编程增益级。然而，当热敏电阻的信号电平随温度显著变化时，需要动态编程增益。 另一种方法是，增益固定不变，但使用动态激励电流。随着热敏电阻信号电平的变化，激励电流值会动态变化，从而使热敏电阻上产生的电压在电子设备的指定输入范围内。

模数转化器ADC选择

“可编程增益级”还是“动态激励电流”，这两种选择都需要高水平的控制，持续监测热敏电阻上的电压，以确保电子设备可以测量信号。

可以使用一些专用ADC芯片来简化设计，如ADI的AD712424位Σ-Δ型ADC。由于应用程序中所需的大多数模块都是内置的，因此在设计温度系统时，有很多优势。

Σ-Δ型ADC在设计热敏电阻测量系统时具有多种优势。首先，Σ-Δ型ADC对模拟输入进行过采样，因此可以简化外部滤波电路设计，仅需要一个简单的RC滤波器即可。这在滤波器类型和输出数据速率的选择方面提供了灵活性。内置数字滤波有助于在电源操作设计中抑制来自电源的任何干扰。24位器件(如AD7124-4/AD7124-8)的最大峰间分辨率为21.7位，因此它们可提供高分辨率。除此之外，还具有以下特性：

模拟输入的宽共模范围

参考输入的宽共模范围

支持比率配置的能力

一些Σ-Δ型ADC还高度集成各种功能，包括集成PGA，内部参考，参考/模拟输入缓冲器，如AD7124-4/AD7124-8。 与AD7124配套的开发板如下，大家可以根据设计开发需要进行选择。

EVAL-AD7124-4SDZEVAL-AD7124-8SDZ

D7124-4 series 24 位 19.2k 采样率

4个差分/7个伪差分输入AD7124-8 series 24 位 19.2k 采样率

8个差分/15个伪差分输入

热敏电阻电路配置比率配置

无论使用激励电流还是激励电压，建议使用比例配置，其中参考电压和传感器电压来自同一激励源。这意味着激励源的任何变化都不会影响测量的准确性。

配置激励电流源

下图显示了为热敏电阻和精密电阻RREF供电的恒定激励电流，通过RREF产生的电压为热敏电阻测量的参考电压。激励电流不需要精确，并且可能不太稳定，因为在比率配置中激励电流中的任何错误都将被取消。

图3：配置激励电流源(图片来源：ADI)

当传感器离主电路很远时，由于激励电流源对灵敏度的优秀控制能力和更好的抗噪性，通常是首选。这种偏置技术通常用于电阻值较低的RTD或热敏电阻。

例如，25°C时10kΩ热敏电阻的电阻为10 kΩ。-50°C时，NTC热敏电阻电阻为441.117kΩ。AD7124提供的最小激励电流为50µA，产生的电压441.117kΩ × 50µA = 22 V，太高，超出了此应用领域中使用的大多数可用ADC的工作范围。热敏电阻通常也离主电路比较近，因此不需要激励电流的抗噪优势。

对于电阻值更高、灵敏度更高的热敏电阻，每次温度变化产生的信号电平将更大，因此使用电压激励更合适。

配置激励电压源

下图显示了用于在NTC热敏电阻上产生电压的恒定激励电压。以分压器电路的形式添加一个串联的电流传感器，将使流过热敏电阻的电流限制在其最小电阻值。在这种配置中，感测电阻RSENSE的值可以设置成等于热敏电阻在25°C基准温度下的电阻大小，以便当其在25°C标称温度下时，输出电压将设置为参考电压的中间值。

图4：配置激励电压源(图片来源：ADI)

同样，25°C时热敏电阻阻值为10kΩ，RSENSE也为10kΩ。当温度变化时，NTC热敏电阻的电阻也会变化，热敏电阻上的激励电压分量也会变化，从而产生与NTC热敏电阻电阻成比例的输出电压。

如下图，当提供热敏电阻和RSENSE的激励电压VREF与用于测量的ADC参考电压相同，则系统可以配置为比率测量，以便消除与激励电压源相关的任何误差。

图5：热敏电阻比率配置(图片来源：ADI)

注意，电流传感器(电压激励)或参考电阻(电流激励)需要具有低初始容差和低漂移，因为这两个变量都有助于提高整体系统的精度。

使用多个热敏电阻

当使用多个热敏电阻时，可以使用单个激励电压。

图6：多个热敏电阻的模拟输入配置测量(图片来源：ADI)

然而，每个热敏电阻必须有自己的精密参考电阻，如上图所示，另一种选择是使用外部多路复用器或具有低导通电阻的开关，这允许共享单个精密感测电阻。当使用这种配置时，每个热敏电阻在测量中都需要一些稳定时间。

更多NTC相关内容

以下是一些有关NTC的实用技术资料，可供大家参考。

都是热敏电阻器, PTC和NTC的区别你真的知道吗?

NTC (负温度系数) 热敏电阻器

无功耗电阻

其电阻随温度上升而減少PTC (正温度系数) 热敏电阻器

无功耗电阻

其电阻随温度上升而增加

贴片NTC热敏电阻常见问题解答

什么是热时间常数?什么是 B 常数?

热敏电阻温度改变其温差(从环境温度T0(°C)到T1(°C)，通常以63.2%的变化率为标准)的时间。B常数表示热敏电阻对温度变化的敏感度(以电阻的变化率表示)。变化率也可以用一条线的倾斜度来表示。倾斜度越大，敏感度越高。

这表明常数τ(秒)被定义为热敏电阻达到其初始和最终体温之总差的63.2%所用的时间。

根据以下方程，可使用在两个指定环境温度下的电阻值来计算该常数。 B=ln (R/R0) / (1/T-1/T0) R：环境温度为T(K)时的电阻值; R0：环境温度为T0(K)时的电阻值

测量NTC热敏电阻的精确值

在测量NTC热敏电阻的值时，对环境温度的精确控制显得尤为重要。以下注意事项也许对你有所帮助。

测量过程中切勿触摸组件和电路板，因为你的体温会影响测量结果。应尽量避免对着组件呼吸，并限制组件附近的空气流动。

NTC热敏电阻应放置在测量区域附近。如果温度计与测量区域的距离较远，则测量区域的温度可能与温度计的温度不同。

请参考电阻与温度表，并注意测量温度的具体值。

由于在空气中进行高精度测量非常困难，村田(Murata)建议在液池中测量电阻值，这样可确保较高的精确度。

本文小结

在设计基于热敏电阻的温度测量系统时，有多个需要考虑的问题，如：NTC热敏电阻选择、采用电流激励还是电压激励、ADC如何配置，以及这些不同变量如何影响整体系统精度。仔细考虑才能让开发工作事半功倍。