设计NTC测温系统：掌握这些知识点，让你事半功倍！

来源:电子工程世界发布时间:2022-12-083419浏览

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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。

图2：ADI的AD712424位Σ-Δ型ADC（图片来源：ADI）

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-AD7124-4SDZ

EVAL-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。