1、 导言
丈量温度的传感器有几种。为详细运用挑选恰当的温度传感器取决于待测温度规模以及所需的精度。体系精度取决于温度传感器的精度以及对传感器输出进行数字化的模数转化器的功能。在大都情况下，因为传感器信号十分弱小，因而需求高分辨率模数转化器。Σ-Δ模数转化器具有高分辨率，因而十分合适这种体系，并且这种转化器往往包含温度丈量体系所需的内置电路，如鼓励电流源。本运用注释首要介绍能够运用的温度传感器（热电偶、电阻温度检测器（RTD）、热敏电阻器与热敏二极管）以及衔接传感器与模数转化器所需的电路，并介绍对模数转化器的功能要求。
热电偶
热电偶由两种不同类型的金属组成。当温度高于零摄氏度时，在两种金属的衔接处会发生温差电压，电压巨细取决于温度相关于零摄氏度的差错。热电偶具有体积小、坚固耐用、价格相对廉价、作业温度规模宽等长处，十分合适恶劣环境中的极高温度（高达2300°C）丈量。不过，热电偶的输出为毫伏级，因而需求经过精细扩大才干进行进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度也不相同，一般仅为每摄氏度几毫伏，因而为了准确读出温度，需求高分辨率、低噪声模数转化器。当热电偶与印制电路板的铜印刷线衔接时，在热电偶与铜印刷线衔接的当地会呈现另一个热电偶接点。其成果是发生一个抵消热电偶电压的电压。为了补偿这个反向电压，咱们在热电偶-铜线衔接点放置一个温度传感器，丈量衔接处的温度。这便是所谓的冷接点。
图1给出运用3通道、16/24位AD7792/AD7793Σ-Δ模数转化器（也能够运用6通道AD7794/AD7795）的热电偶体系。其片内外表扩大器首要对热电偶电压进行扩大，然后经过模数转化器对扩大的电压信号进行模数转化。热电偶发生的电压偏置在地电平邻近。片内鼓励电压源将其偏置到扩大器线性规模以内，因而体系能够运用单电源作业。这种低噪声、低漂移、片内、带隙基准电压源，能够确保模数转化的精度，然后确保整个温度丈量体系的精度。
冷接点的温度是运用电阻温度探测器（RTD）或热敏电阻器（图1中的RT）进行丈量的。这两种器材的电阻都跟着温度而改变。片内恒流源供给所需的鼓励电流。在这个丈量中运用了比率装备方法，也便是，模数转化器的基准电压源与精细电阻器运用相同的鼓励电流。选用比率装备方法，能够使冷接点的温度丈量不受鼓励电流的影响，因为鼓励电流的改变能够使传感器发生的电压改变量与精细电阻器发生的电压改变量彻底相同，因而对模数转化没有任何影响。
电阻温度探测器
电阻温度探测器的电阻跟着温度的改变而改变。电阻温度探测器的常用资料是镍、铜、铂，其间电阻在100 Ω～1000 Ω之间的铂电阻温度探测器是最常见的。电阻温度探测器适用于在–200°C ～ +800°C的整个温度规模内具有挨近线性呼应的温度丈量。一只电阻温度探测器包含3根或4根导线组成。图2给出3线电阻温度探测器与模数转化器的衔接示意图，其间RL1、RL2、RL3别离代表电阻温度探测器引线的电阻。
为了完成3线电阻温度探测器装备的彻底最优化，需求两个彻底匹配的电流源。在这个3线装备中，假如只运用一个电流源（IOUT1），则引线电阻将带来差错，因为鼓励电流流经RL1时会在AIN1（+）与 AIN1（–）之间发生电压差错。咱们运用第二个电阻温度探测器电流源（IOUT2）对鼓励电流经过RL1引起的差错进行补偿。每个电流源的肯定精度并不重要，但两个电流源的彻底匹配十分要害。第二个电阻温度探测器电流经过RL2。假定RL1与RL2持平（引线一般由相同资料制成且长度持平），且IOUT1与IOUT2匹配，使RL2两头差错电压将与RL1两头差错电压抵消，因而AIN1（+）与 AIN1（–）之间不会发生差错电压。尽管RL3将发生两倍的电压， 但这是共模电压，因而不会带来差错。
模数转化器具有差分模仿输入并承受差分基准电压，能够完成比率装备。在图2中，模数转化器的基准电压也是由匹配的电流源发生的。这个基准电压由精细电阻器（RREF）两头的电压发生，并用于模数转化器的差分参阅输入端。这个计划将确保模仿输入电压与基准电压成比率。因电阻温度探测器电流源温漂而引起的模仿输入电压的任何差错，都能够经过基准电压的差错进行补偿。
热敏电阻器
热敏电阻器的电阻也跟着温度的改变而改变，可是其精度不如电阻温度探测器。热敏电阻一般运用单电流电源。同运用电阻温度探测器相同，一个精细电阻器用于基准电压源，一个电流源驱动该精细基准电阻器和热敏电阻器，这意味着能够完成一种比率装备。这也阐明电流源的精度并不重要，因为电流源温漂既影响热敏电阻器，一起也影响基准电阻器，因而抵消了漂移影响。在热电偶运用中，一般运用热敏电阻器进行冷接点补偿。热敏电阻器的标称电阻一般为1000 Ω或更高以上。
热敏二极管
当然，也能够用热敏二极管进行温度丈量。在这类体系中，经过丈量二极管接法晶体管的基极-发射极电压来核算温度。选用两种不同的电流别离经过热敏二极管。丈量在每种情况下的基极-发射极电压。因为知道电流的比率，因而能够经过丈量两个不同电流情况下的基极-发射极电压差来准确地核算温度。
在图3中，咱们将AD7792/AD7793的鼓励电流源设置为 10 μA 与210 μA （也能够挑选其他值）。首要，让210 μA的鼓励电流经过二极管，运用模数转化器丈量基极-发射极电压。然后，运用10 μA 鼓励电流重复上述丈量。这意味着电流下降到本来的1/21。在丈量中电流肯定值并不重要，可是要求电流比率固定。
因为AD7792/AD7793将电流源集成在芯片中，因而能够确保电流源的准确匹配，然后使电流比率坚持不变。为了消除影响温度丈量的寄生差错，需求恒定电流比率。丈量的两个基极-发射极电压读数被传输至微控制器，然后依据以下公式核算出温度。
其间：
n = 抱负因子=被丈量，
K = 玻尔兹曼常数，
N = IC2与IC1的比率，
Q = 电子电荷量，
ΔVBE 由模数转化器丈量。
2、 对模数转化器的要求
结构
温度丈量体系一般是低速（每秒采样最多100个）的，因而窄带模数转化器比较合适；可是，模数转化器有必要具有高分辨率。窄带与高分辨率的要求，使得Σ-Δ模数转化器成为这种运用的抱负挑选。
在这种结构下，开关电容器前端模仿输入接连采样，采样频率显着高于有用带宽（参见图4）。例如，AD7793有一个内置64 kHz时钟。待测的模仿信号挨近直流， 可是以K倍信号频率（KfS）进行过采样，然后下降了基带内的量化噪声。量化噪声从直流一向散布到半采样频率（KfS/2）。因而，选用进步的采样频率增大了量化噪声散布的规模，下降了有用频带内的噪声。
Σ-Δ调理器将采样的输入信号转化为数字脉冲串，其“1”的密度包含数字量信息。Σ-Δ调理其还能进行噪声整形。经过噪声整形，有用带宽内的噪声被移到有用带宽以外，抵达无用的频率规模。调理器的阶数越高，在有用带宽内对噪声整形的作用就越显着。可是，较高阶调理器简略不安稳。因而，有必要在调理器阶数与安稳性之间进行权衡。在窄带Σ-Δ模数转化器中，一般运用二阶或三阶调理器，因而，器材安稳性杰出。
调理器后边的数字滤波器对调理器输出进行采样，以给出有用的数据转化成果。该滤波器还能滤除带外噪声。数字滤波器图画频率会呈现在主时钟频率的多倍频处。因而，运用Σ-Δ结构意味着所需的仅有外部元件是一个简略的R-C滤波器，用于消除主时钟频率倍频处的数字滤波器镜像频率。Σ-Δ结构使24位模数转化器具有20.5字节的峰-峰分辨率（20.5安稳或无闪烁字节）。
增益
一般，来自温度传感器的信号都十分弱小，关于几度的小规模温度改变，热电偶与电阻温度检测器等温度传感器发生的相应模仿电压改变最多仅为数百毫伏。因而，典型满度模仿输出电压只在mV规模内。假如不选用增益级电路，模数转化器的满度规模一般为±VREF。为了使模数转化器的功能最优化，应当运用其大部分的模仿输入规模。在运用这类传感器丈量温度时，增益的重要性反常杰出。要是没有任何增益，则模数转化器满度规模只要一小部分运用，这将丢失分辨率。
外表扩大器答应开发低噪声、低温漂的增益级电路。低噪声与低温漂十分要害，能够确保因温度改变引起的电压改变大于外表扩大器的噪声电压。AD7793的增益能够设置为1， 2， 4， 8， 16， 32， 64，或128。运用128倍的最大增益设置以及发生的基准电压源，AD7793的满度规模是±1.17 mV/128 mV或许大约±10 mV。这样，ADC的高分辨率特色确保无需任何外部扩大器元件就能够到达最佳作用。
对50 Hz/60 Hz频率的按捺
Σ-Δ模数转化器的内置数字滤波器关于按捺带外量化噪声以及其他噪声源十分有用。噪声源之一是电力网供电体系发生的频率。当电力网为器材供电时，将发生50 Hz及其倍频的供电体系频率（在欧洲），或发生60 Hz及其倍频的供电体系频率（在美国）。窄带模数转化器首要选用sinc滤波器。AD7793有4个滤波器选项，模数转化器能够依据更新速率主动挑选需求运用的滤波器品种。在16.6 Hz的更新速率运用sinc3滤波器。如图5所示，sinc3滤波器在频谱内存在凹槽。当输出字速率为16.6 Hz时，能够运用这些凹槽一起按捺50 Hz或60 Hz的频率。
斩波器
体系中总是会呈现比如失调电压和其他低频差错等不利因素，温度丈量体系也不破例。斩波器是AD7793的一个固有特性，能够用于消除这些差错信号。斩波器的作业原理便是在模数转化器的输入多路复用器处替换地倒相（或削波）。然后，对每次斩波相位（正相位和负相位）进行一次模数转化。接着，用数字滤波器对这两次转化成果取均匀。这样，就消除了模数转化器内呈现的任何失调差错，更重要的是，将温度对失调漂移的影响降到最低。
低功耗
许多温度检测体系都不选用电力供电。在一些工业运用中，如工厂中的温度监督，包含传感器、模数转化器以及微控制器在内的整个温度体系都在独立的电路板内，选用4~20 mA的环路供电。因而，独立电路板的最大电流预算为4mA。便携式设备，如矿山中运用的便携式瓦斯检测仪，需求一起丈量温度和瓦斯，这类便携式体系选用电池供电，其意图是延伸电池寿数。在这类运用中，低功耗很重要，但高功能也很重要。AD7933的最大功耗电流为500 mA，所以它能继续满意温度体系的高功能目标要求，一起耗费适当低的电流。
3、 结束语
温度丈量体系对模数转化器和体系的需求适当严厉。每品种型温度传感器需求的元件都不同，可是由这些传感器发生的模仿信号一般都十分小。因而，需求运用低噪声的增益级电路对这些信号进行扩大，这样，扩大器的噪声不至于吞没传感器的弱小信号。扩大器后边需求高分辨率的模数转化器，以便将传感器输出的模仿信号转化为数字信号。Σ−Δ体系结构很合适这类模数转化器运用，运用这种体系结构现已开发出具有高分辨率、高精细度的模数转化器。除了模数转化器和增益级，温度丈量体系还需求其它元件，如鼓励电流源和基准电压源。别的，这些元件有必要具有低漂移、低噪声的功能，这样才不会下降体系精度。失调电压等初始差错能够在体系外校准，可是所用元件的温度漂移有必要很低，以防止引进差错。最终，一切便携式运用中都需求考虑功耗，曾经选用电力网供电的许多体系现在都选用独立的电路板供电，因而功耗问题就变得越来越重要。
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