高精度的温度传感电路设计

偿，基于热电偶的精密温度测量系统里附加了一个温度传感器(安装在冷端的顶头)来测量冷端的温度。冷端的温度测量最常用的是热敏电阻传感器，因为其成本低，温度范围可以覆盖冷端温度，满足大多数应用。为了测量CJC电压、先要找冷端温度，然后检查热电偶电动势来求得温度。加上冷端电压后产生出CJC电压，其相应的温度就是实际温度。

热电偶产生的电动势只有几uV，这使它很容易受到噪声干扰。并且，在这个信号传输给模数转换器之前，它需要被放大(这同时也会增加噪声和偏移)。在精密测量中，应该去除这类噪声和偏移。我们举例来说明如何使用相关双抽样方法(CDS)消除偏移和减少低频噪声。

CDS可以在信号处理阶段减少低频噪声和偏移。首先，测量零参考偏移（两个输入都短路就可以测量到)，然后测量热电偶电压。当直接用热电偶信号测量时，它包括实际热电偶电压、噪声电压、偏移量(见方程1)。零参考读数包括噪声和偏移量(见方程2)。

(方程1) VTCouple_Signal = VTC + VN + Voffset

(方程2) VZero_Ref = VN + Voffset

之前的零参考取样数值和目前零参考测量数值的关系是:

(方程3) VZero_ref_Prev = (VN + Voffset)*Z-1

那么，当前的热电偶测量值和之前的零参考电平的差是:

(方程4) Vsignal = (VTC + VN + Voffset) - (VN + Voffset)*Z-1

Voffset是静态的, 所以它当前的值和之前的取样数值是相同的。VN不是一成不变的，因为它是噪声和漂移，所以需要被去除。从当前取样值中减去前面的噪声值将会去除低频噪声。由此可见，相关的双抽样方法CDS工作起来就像是高通滤波器。EECOL_2011Mar09_DSP_TA_50.pdf

模拟数字转换器ADC的本身有一个低通滤波来去除高频噪声。然而，在模数转换器ADC输出端的IIR滤波器将有助于进一步弱化经过它或传输给模拟数字转换器ADC的噪声频带。市面上的混合信号控制器都可配置数字滤波器，它可以通过器件本身硬件处理过滤而无需在固件电路上进行过滤从而可以节省CPU周期。图3所示实现了一个基于热电偶的温度监测系统，它使用了赛普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件来实现。这些器件都有片上20位分辨率的delta-sigma模数转换器，都内置了可编程增益缓存用来放大信号，内置了数字滤波器模块(DFB)来滤波。它提供了一个高度集成的温度测量系统。然而，由于设计中有热电偶，所以可能需要附加一个增益段。这个增益可以通过一个放大器来实现，可以使用片上的可编程增益放大器(PGA)。

图3：基于热电偶传感器的温度测量系统电路。

在图3的系统中，模拟MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用来把传感器正端和负端输出的信号转换成模数转换器的正输入来实施相关双抽样。现在的问题是使用相同的模数转换器时如何让两个传感器电路都是一样的零参考值。答案是这样的--热敏电阻、热电偶有不同的输出电压范围，因此需要不同倍数的放大。PSoC3和PSoC5器件中的ADC有多个配置，可以改变运行时间。对于不同的增益设置，偏移也不同，所以需要两种传感器电路中都使用相关双抽样。这会帮助消除整个模拟信号链的偏移。AMux用于传感器在热电偶、热敏电阻之间的选择。直接内存访问(DMA)读取ADC值并写入数字滤波模块(DFB)来过滤噪声。

RTD和热敏电阻温度传感器设计电路

使用电阻式温度检测器（RTD）和热敏电阻测量温度时需要测量电阻，所以测量的方式决定了系统的精度。为了测量到精确的信号，应该使用差分输入而不是单端输入。差分输入可以消除普通噪声，而且效果不错，可以达到μV级的敏感度(相对于单端输入的mV灵敏度好多了)。让我们来看看两种连接-ve输入到ADC的不同模式，详见图4。

图4：两种不同的 -ve连接方式设计电路。

图4右边的电路设计好于左边的。在右面的电路中，-ve直接连接到靠近分压电阻的参考电压。右面的电路可以帮助降低测量时的噪声的和由于PCB布局或走线阻抗带来的误差等等。

基于热敏电阻的温度测量系统可以说是图3和图4的集合。现在，让我们看看使用RTD的测量系统。金属铂RTD制成的温度传感器无论从时间和温度上来说都是最精确、最稳定的，所以在精确测量的应用中使用它应该是首选。RTD上的电压降是可以测量的，和热敏电阻的测量方式一样，通常使用2线方法。连接RTD到测量系统时，要经过较长的电路，如果使用电压源作为激励的话，电路走线电阻就成为主要的测量误差源，图5则给出了2线测量电路和4线测量电路设计上的区别。

图5：2线连接和4线连接的测量电路设计。

在2线电路中，RTD的电阻(RRTD)可以按方程5测量得到。然而，如果我们看一下这个电路，还有另