适用于温度测量的温度传感器有好几种。为具体应用选择适当的温度传感器取决于待测温度范围以及所需要的精度。系统精度取决于温度传感器的精度以及用于将传感器输出数字化的模数转换器（ADC）的性能。多数情况下，传感器的信号幅度相当小，需要一种高分辨率的ADC。 - ADC分辨率高，通常包含温度测量系统所需的内置电路，如激励电流源。本文讨论不同类型的温度传感器〔热电偶、电阻式温度检测器（RTD）、热敏电阻以及热敏二极管〕以及连接传感器和ADC所需要的电路，还介绍对ADC的性能要求。

热电偶

热电偶由两种不同类型的金属组成。当温度超过零摄氏度时，两种金属的连接处会产生一个电压；电压幅度取决于温度相对于零摄氏度的偏差。热电偶体积小、坚固耐用且价格便宜，还可在很宽的温度范围工作，这对于在恶劣环境下进行极高温度(高达+2300 ℃)的测量特别有用。但是，它们只能产生毫伏（mV）级的输出，因此需要进行精密放大以便进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度不同，但通常都只有几微伏每摄氏度（ V/℃），所以需要高分辨率、低噪声的ADC来实现精密的温度读数。当热电偶连接到印刷电路板（PCB）的铜印刷线时，热电偶连接铜线的地方会产生另一个热电偶接点，这会产生一个抵消热电偶电压的电压。为了补偿这个起反作用的电压，在热电偶和铜线的连接点放置另外一个温度传感器以便测量该连接点的温度，这就是所谓的“冷接点”。
图1示出了一种采用AD7793 3通道、24 bit - ADC（也可以采用6通道的AD7794）的热电偶系统。其片内仪表放大器用于放大被ADC转换之前的热电偶电压。热电偶产生的电压偏置在地电平附近。片内激励电压源将其偏置到放大器的线性范围内，从而使系统可以单电源工作。低噪声、低漂移的片内带隙式基准电压源保证模数转换的精度，保证了整个温度测量系统的精度。

用一只RTD或者热敏电阻（图1示出了一只热敏电阻RT）测量冷接点温度。两种器件的电阻都随温度变化，片内恒流源提供需要的激励电流。这种测量方法采用了一种比率配置方式，ADC的基准电压源也由相同的激励电流通过一只精密电阻器产生。采用比率配置方式使得冷接点温度的测量免受激励电流变化的影响，因为激励电流的变化会使传感器引起的电压变化量和精密电阻产生的电压变化量完全相同，因此不会影响ADC转换。

图1 热电偶测温系统的模似电路部分（略）


RTD

RTD的电阻随温度变化，常用原料是镍、铜或者铂，其中100 和1000 的铂RTD是最常用的。RTD适用于在－200~＋800℃整个温度范围内具有接近线性响应的温度测量。一只RTD包括三条线或者四条线。图2示出了一种三线RTD如何连接ADC。RL1、RL2和RL3是RTD引脚的电阻。

图2 RTD测温系统的模似电路部分（略）

为了完全优化三线RTD配置，需要两个完全匹配的电流源。在三线配置中，如果只采用一个电流源（IOUT1），引脚电阻会引起误差，因为激励电流通过RL1时会在AIN1（＋）和AIN1（－）之间产生电压误差。第二个RTD电流源（IOUT2）用于补偿第一个激励电流源通过RL1时引起的误差。每个电流源的绝对精度并不重要，但是两个电流源的完全匹配至关重要。第二个RTD的电流通过RL2，假设RL1和RL2相等（引脚通常应该材料相同并且长度相等），而且IOUT1和IOUT2匹配，使RL2两端误差电压抵消了RL1两端的误差电压，所以AIN1和AIN2之间不会产生误差电压。RL3两端将产生两倍的电压，但这是共模电压，不会引起误差。

ADC具有差分模拟输入，并且接受差分基准电压，从而可以实现一种比率配置。在图2中，ADC的基准电压源由匹配的电流源产生。该基准电压源由精密电阻器RREF两端的电压产生，然后将它施加到ADC的差分参考输入端，这保证模拟输入电压与基准电压成比例。由RTD电流源温度漂移引起的模拟输入电压的任何误差都可以通过其基准电压的偏差来补偿。

热敏电阻

热敏电阻的电阻值也随温度变化，但其精度低于RTD。热敏电阻通常采用单电流源系统。同使用RTD相同，一个精密电阻器用于基准电压源，一个电流源驱动该精密基准电阻器和热敏电阻，这意味着可以实现一种比率配置。此时电流源的精度不是很重要，因为电流源的漂移会同时影响热敏电阻和基准电阻器，因此抵消了漂移影响。热敏电阻通常在热电偶应用中用于冷接点补偿，其标称电阻通常为1000 或更高。

热敏二极管

热敏二极管也用于温度测量。在这类系统中，通过测量连接为二极管形式的晶体管的基射极电压来计算温度。采用两种不同的电流分别通过二极管，测量每种情况下的基射极电压。如果知道电流的比例，可以通过测量两种电流情况下基射极电压的差值来精确地计算温度。

在图3中，AD7793激励电流源可以设定为10 mA和210 mA（还有其它的选项）。首先让210 mA的激励电流通过二极管。用ADC测量晶体管的基射极电压，然后采用10 mA的激励电流重复测量，这意味着电流降低到1/21。电流的绝对值对于测量来说并不重要，但是需要严格的固定比率。因为AD7793将电流源集成在芯片中，所以它可以保证精确匹配的电流源，从而保证稳定的电流比率。恒定的电流比率对于消除会影响温度测量的寄生误差不可或缺。将两次基射极电压读数送到微控制器并按照下面的公式计算待测的温度。

图3 热敏二极管测温系统的模似电路部分（略）

T=\frac{q V_{BE}}{nKIn(N)}

n = 理想因子 = 测定值

K =波尔兹曼常数

N = IC2和IC1电流比率

q =电子的电荷量

VBE 由ADC测得

对ADC的要求

体系结构

温度测量系统通常是低速的（每秒采样100次），窄带ADC比较适合，但是ADC必须具有高分辨率。窄带和高分辨率要求使得 - ADC非常适合这类应用。

在这种体系结构中，开关电容前端模拟输入信号连续采样，采样频率应该比有用带宽高得多（见图4），如AD7793有一个内置64 kHz时钟。待测的模拟信号接近直流（DC），但是以K倍信号频率（Kfs）进行过采样，从而降低了基带内的量化噪声。量化噪声从DC一直分布到半采样频率（Kfs/2）。因此，采用提高的采样频率增大了量化噪声分布的范围，降低了有用频带内的噪声。

图4 过采样、数字滤波、噪声整形和采样抽取对噪声频道的作用（略）

- 调制器将采样的输入信号转换为数字脉冲串，其中“1”的密度包含了数字量信息。调制器还完成噪声整形，通过噪声整形，将“有用带宽”内的噪声移到有用带宽外，即移到无用的频率范围。调制器的阶数越高，在“有用带宽”内对噪声整形的作用就越好。但是，调制器的阶数越高越容易引起不稳定。因此，必须在调制器阶数和稳定性之间进行权衡。在窄带 - ADC中，通常采用两阶或者三阶调制器，可保证器件稳定。

调制器后面的数字滤波器对调制器输出进行采样抽取以便得到一个有效的数据转换结果。该滤波器还能去除带外噪声。滤波器的镜像频率会出现在主时钟的多倍频处。因此，采用 - 体系结构意味着所需的唯一外部元件是一个简单的R-C滤波器，用于消除出现在主时钟频率倍频处的数字滤波器镜像频率。这种 - 体系结构使得24 bit的ADC具有20.5 bit的峰值分辨率。

增益

如前所述，温度传感器的输出信号通常很小，而且小范围温度的变化引起温度传感器（例如热电偶和RTD）产生相应模拟电压的变化最多几百毫伏（mV）。这就使得典型的满度模拟输出电压只在mV范围内。如果不采用增益级电路，ADC的满度范围通常为 VREF。为了优化ADC的性能，应该利用其大部分的模拟输入范围。采用这类传感器测量温度时，增益的重要性异常突出。如果没有任何增益，只用到ADC满度范围的很小一部分，结果会有损于分辨率。

仪表放大器可以实现一种低噪声、低漂移的增益级电路。低噪声和低漂移很重要，可保证由于温度变化引起的电压变化大于仪表放大器产生的噪声电压。AD7793的增益可以设定为1, 2, 4, 8, 16, 32, 64或128。利用AD7793的128倍最大增益设置和内部产生的基准电压源，AD7793的满度范围可以达到 1.17 V/128或者大约 10 mV。ADC的高分辨率特点保证无需任何外部放大器元件就可以达到最佳效果。

对50 Hz和60 Hz频率的抑制

- ADC的内置数字滤波器对于抑制带外量化噪声和其它噪声源很有效。噪声源之一就是电力网供电系统产生的频率。当器件用电力网供电时，存在50 Hz（欧洲）或60 Hz（美国）及其倍频的供电系统频率。窄带ADC主要采用sinc滤波器。AD7793具有四个滤波器选项，ADC根据更新速率自动选择需要使用的滤波器类型。当更新速率等于16.6 Hz时，采用sinc3滤波器。如图5所示，sinc3滤波器在其频谱中存在凹槽。当输出码字速率为16.6 Hz时，这些凹槽可以用于同时抑制50 Hz或者60 Hz的频率。


图5 当更新速率等于16.6时的频率响应(略)

斩波器

系统中总是会出现一些失调电压和其它低频误差等不利因素，温度测量系统也不例外。斩波器是AD7793内部固有的一个特性，可以用于消除这些误差信号。斩波器的工作原理就是在ADC的输入多路复用器处交替地倒相（或削波）。然后对每次斩波相位（正相位和负相位）进行一次ADC转换。然后用数字滤波器对这两次转换结果取平均。这样就消除了ADC内出现的任何失调误差，更重要的是，将温度对失调漂移的影响降到最低。

低功耗

很多温度检测系统都不采用电力供电。在一些工业应用中，如工厂中的温度监视，包括传感器、ADC以及微控制器的完整温度系统都在独立的电路板内，采用4~20 mA的环路供电。因此，独立电路板的最大电流预算为4mA。便携式设备，例如矿山中使用的便携式瓦斯检测仪，需要同时测量温度和瓦斯，这类便携式系统采用电池供电，目的是延长电池的寿命。在这类应用中，低功耗很重要，但高性能也很重要。AD7933的最大功耗电流为500 mA，所以它能持续满足温度系统的高性能指标要求，同时消耗相当低的电流。

结束语

温度测量系统对ADC和系统的需求相当严格。每种类型温度传感器需要的元件都不同，但是由这些传感器产生的模拟信号通常都非常小。因此这些信号需要用低噪声的增益级电路放大，以便放大器的噪声不至于淹没传感器的微弱信号。放大器后面需要高分辨率的ADC，以便将传感器输出的模拟信号转换为数字信号。 - 体系结构很适合这类ADC应用，采用这种体系结构已经开发出具有高分辨率、高精密度的ADC。除了ADC和增益级，温度测量系统还需要其它元件，如激励电流源和基准电压源。另外，这些元件必须具有低漂移、低噪声的性能，这样才不会降低系统精度。失调电压等初始误差可以在系统外校准，但是采用元件的温度漂移必须很低以避免引入误差。最后，所有便携式应用中都需要考虑功耗，先前采用电力网供电的许多系统现在都采用独立的电路板供电，因此功耗问题就变得越来越重要。