溫度傳感器電路設(shè)計(jì)：CMOS溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)
摘要：
近些年來,在芯片設(shè)計(jì)中,溫度逐漸成為一個(gè)重要的參數(shù).這是因?yàn)殡S著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,CMOS芯片工藝的特征尺寸逐年減小同時(shí)集成度逐年增加,導(dǎo)致集成電路中的功率密度升高,系統(tǒng)的可靠性降低,所以片上溫度的檢測(cè)就變得愈加重要.在溫度升高情況下,CMOS工藝中元器件的性能所受到的影響也更加顯著,因此,隨著工作溫度的變化,元器件性能的變化研究也越發(fā)重要.課題研究并設(shè)計(jì)了一款溫度傳感器芯片.設(shè)計(jì)方案完全由CMOS元件構(gòu)成,用于感知芯片溫度,輸出的結(jié)果為十一位數(shù)字信號(hào).設(shè)計(jì)方案是根據(jù)MOSFET的閾值電壓隨溫度的上升而線性降低的性質(zhì)設(shè)計(jì)的.在論文中,對(duì)MOSFET的閾值電壓和遷移率進(jìn)行了建模推導(dǎo),確定了閾值電壓保持線性變化的溫度范圍以及MOSFET遷移率隨溫度變化的情況,以此為依據(jù),選擇了閾值電壓變化作為感溫原理進(jìn)行溫度傳感器的設(shè)計(jì).同時(shí),這種原理設(shè)計(jì)的方案相對(duì)于傳統(tǒng)的利用晶體管基極-射極電壓差?V_(be)作為測(cè)溫基本物理量的方案,工作電流小,采用的工藝成本低,在CMOS芯片中有更高的適用性.電路由溫度測(cè)量單元,VCO和計(jì)數(shù)電路三部分構(gòu)成.其中溫度測(cè)量單元用于輸出一個(gè)僅與溫度有關(guān)的變化量,在此設(shè)計(jì)方案中就是器件的閾值電壓,因此又將這一模塊稱為閾值電壓獲取電路,該電路用于保證在溫度范圍內(nèi),輸出的電壓線性變化,而不會(huì)因?yàn)殡娐分蠱OSFET的工作區(qū)變化導(dǎo)致非線性的輸出變化;VCO由反相器構(gòu)成,用于將閾值電壓變化為頻率信號(hào),以便于下一級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理;計(jì)數(shù)電路用于對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù),得到十一位的數(shù)字輸出.電路采用1.8V的電源電壓,利用Cadence軟件和tsmc018工藝庫(kù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì).后仿結(jié)果為,在0℃到150℃的溫度范圍內(nèi)電路經(jīng)過單點(diǎn)校正以后,分辨率可以設(shè)置為0.15℃,精度可以達(dá)到0.5℃.模擬部分誤差為12%,數(shù)字部分誤差為量化誤差,達(dá)到50%,設(shè)計(jì)方案功耗低于10μW,設(shè)計(jì)尺寸為300μm×590μm.所以,設(shè)計(jì)的電路芯片方案有望應(yīng)用于便攜式儀器中.
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溫度傳感器電路設(shè)計(jì)：DS18B20溫度傳感器電路設(shè)計(jì)參考
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1、僅供個(gè)人參考 關(guān)鍵詞:單片機(jī)AT89C51；溫度傳感器DS18B20；數(shù)碼顯示 實(shí)現(xiàn)功能：可以測(cè)得的溫度范圍0125度 并顯示一位小數(shù) 有報(bào)警功能 當(dāng)15度T30度時(shí) 紅燈亮 For personal use only in study and research; not for commercial use T15度時(shí) 綠燈亮 有調(diào)整上下限溫度功能 按下相應(yīng)按鈕可以調(diào)整報(bào)警溫度范圍 For personal use only in study and research; not for commercial use 元件清單 AT89C51單片機(jī)芯片 1塊 DS18B20溫度傳感器 1個(gè) 4
2、位共陽(yáng)極數(shù)碼管 1塊 紅色發(fā)光二極管 1個(gè) 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 綠色發(fā)光二極管 1個(gè) 八分之一W 1K電阻 10個(gè) 1W 4.7K電阻 1個(gè) 彈性開關(guān) 3個(gè) 本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字溫度傳感器、LED顯示模塊、按鍵控制模塊、溫度報(bào)警模塊組成，其總體架構(gòu)如下圖1. P1.1P3.1/TXD 單 片 機(jī) P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51驅(qū)動(dòng)電路 報(bào)警電路 12P3.2/INT013P3.3/INT114P3.4/T015P3.5/T116P3.6/WR17 測(cè)溫電路顯示電路 P3.7/RD按鍵輸入電路 時(shí)鐘、復(fù)位電路 不得用于商業(yè)用途僅
3、供個(gè)人參考 圖1 系統(tǒng)總體方框圖 DS18B20性能 1獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信 2簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 3無需外部器件 4可通過數(shù)據(jù)線供電 5零待機(jī)功耗 6測(cè)溫范圍-55+125，以0.5遞增 7可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625 8溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字 9應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)和任何熱感測(cè)系統(tǒng) 10負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，傳感器不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 DS18B20外形及引腳說明 圖3 DS18B20外
4、形及引腳 GND：地 DQ：?jiǎn)尉€運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳 VD：可選的電源引腳 存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0， 這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際 溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07D0H， 實(shí)際溫度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125。 例如-55的數(shù)字輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號(hào)位不變，也不作運(yùn)算）， 實(shí)際溫度=370H*0.0625=880*0.0625=55。 可
5、見其中低四位為小數(shù)位。 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表 AT89C51 AT89C51單片機(jī) Atmel公司的生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)，內(nèi)部除CPU外，還包括128字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，片內(nèi)集成4K字節(jié)可改變程序Flash存儲(chǔ)器，具有低功耗，速度快，程序擦寫方便等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。單片機(jī)P22口作為ADC0809轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸入端。P0的輸出信號(hào)作為數(shù)碼管的顯示，P2.4P2.7則作為個(gè)數(shù)碼管的位選信號(hào)控制，P20，P21，作為報(bào)警裝置的輸出。
6、不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 仿真圖 R16R14R15R9R10R12R13R111k1k1k1k1k1k1k1kUP0.0/AD0XTAL138P0.1/AD1R2R337P0.2/ADK1kXTAL2P0.3/AD335P0.4/AD434P0.5/AD533P0.6/AD6932RSTP0.7/AD721P2.0/A8D1D222P2.1/A923R1LED-REDLED-GREENP2.2/APSENP2.3/A.7kU2ALEP2.4/AEAP2.5/AVCCP2.6/A1425.0228DQP2.7/A151G
7、ND110P1.0P3.0/RXD211DS18B20 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 源程序#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char /宏定義 sbit p2_4=P24; sbit p2_5=P25; sbit p2_6=P26; sbit dp=P07; sbit p2_7=P27; sbit DQ=P22; /定義DS18B20總線I/O sbit SET=P31; /定義選擇調(diào)整報(bào)警溫度上限和下限（1為上限，0為上限） sbit HonGDENG=
8、P20; sbit LVDENG=P21; /定義亮燈 signed char m; /溫度值全局變量 bit sign=0; /外部中斷狀態(tài)標(biāo)志 signed char shangxian=30; /上限報(bào)警溫度，默認(rèn)值為30 signed char xiaxian=15; /下限報(bào)警溫度，默認(rèn)值為15 uchar code LEDData=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf; void Delay(uint i) while( i- ); void Init
9、_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ=1; Delay(8); /稍作延時(shí) DQ=0; /單片機(jī)將DQ拉低 Delay(80); /精確延時(shí)，大于480us DQ=1; /拉高總線 Delay(14); x=DQ; /稍作延時(shí)后 如果X=0則初始化成功，X=1則初始化失敗 Delay(20); unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned char dat=0; for (i=8;i0;i-) DQ=0; /給脈沖信號(hào) dat=1; DQ=1; /給脈沖信號(hào) 不得用
10、于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 if(DQ) dat|=0x80; Delay(4); return(dat); void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ=0; DQ=dat&0x01; Delay(5); DQ=1; dat=1; void Tmpchange(void) /發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0x44); /啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 unsig
11、ned int ReadTemperature(void) unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Tmpchange(); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器 a=ReadOneChar(); /讀低8位 b=ReadOneChar(); /讀高8位 t=b; tshangxian ) HonGDENG=1; / 溫度高于范圍紅燈亮 else HonGDENG=0; if(mxia
12、xian) LVDENG=1; /溫度低于范圍綠燈亮 else LVDENG=0; p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; P0=LEDDatad; /顯示小數(shù)點(diǎn)后一位 p2_4=1;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; Delay(300); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; /顯示個(gè)位 P0=LEDDatac; dp=0; /顯示小數(shù)點(diǎn) p2_4=0;p2_5=1;p2_6=0;p2_7=0; Delay(300); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; /顯示十位 P0=LEDDatab; p2_4=0;p2_5=
13、0;p2_6=1;p2_7=0; Delay(300); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; /顯示百位 P0=LEDDataa; p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=1; Delay(300); /關(guān)閉顯示 p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; disptiaozheng() uchar f,g,j,k; 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 f=shangxian/10; g=shangxian_x0010_; j=xiaxian/10; k=xiaxian_x0010_; p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; P0
14、=0xc0; /顯示0 p2_4=1;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; Delay(200); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; P0=0xc0; /顯示0 p2_4=0;p2_5=1;p2_6=0;p2_7=0; Delay(200); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; if(SET=1) P0=LEDDatag; dp=0; /顯示上限溫度個(gè)位 else P0=LEDDatak; dp=0; p2_4=0;p2_5=0;p2_6=1;p2_7=0; Delay(200); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0
15、; if(SET=1) P0=LEDDataf; /顯示上限溫度十位 else if(f=0) P0=0x00; /不顯示下限溫度十位 else P0=LEDDataj; /顯示下限溫度十位 p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=1; Delay(200); p2_4=0;p2_5=0;p2_6=0;p2_7=0; / 關(guān)閉顯示 Delay(20); void int0(void) interrupt 0 EX0=0; /關(guān)外部中斷0 sign=1; if(SET=1) shangxian+; else xiaxian+; Delay(500);
16、EX0=1; void int1(void) interrupt 2 EX1=0; / 關(guān)外部中斷1 sign=1; 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 if(SET=1) shangxian-; else xiaxian-; Delay(500); EX1=1; void main(void) uint z; IT0=1; IT1=1; EX0=1; EX1=1; EA=1; ReadTemperature(); HonGDENG=0; LVDENG=0 ; for(z=0;z100;z+) Disp_init(); while(1) Disp_Temp
17、erature(); if(sign=1) for(z=0;z300;z+) disptiaozheng(); sign=0; 不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考 僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur fr den pers?nlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下無正文 不得用于商業(yè)用途
溫度傳感器電路設(shè)計(jì)：基于USB的溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)
描述
使用模擬MCU，LDO，外部熱敏電阻和一些分立器件，您可以構(gòu)建高精度的溫度傳感應(yīng)用。
圖1中的電路顯示了Analog DevicesADuC7122精密模擬微控制器的工作原理可用于精確的熱敏電阻溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用。 ADuC7122集成了多通道12位SAR ADC，12個(gè)12位DAC，1.2 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，以及ARM7內(nèi)核，126 kB閃存，8 kB SRAM以及各種數(shù)字外設(shè)，如UART，定時(shí)器，SPI ，以及兩個(gè)I2C接口。 ADuC7122連接到4.7kω?zé)崦綦娮琛?br/>圖1：ADuC7122用作溫度監(jiān)控器，與熱敏電阻連接（簡(jiǎn)化原理圖，所有連接均未由于ADuC7122（7 mm×7 mm，108球BGA封裝）的小外形尺寸，整個(gè)電路可以安裝在極小的PCB上，從而進(jìn)一步降低了成本。
與RTD類似，熱敏電阻是低成本的溫度敏感電阻器，由固體半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有正或負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻價(jià)格低廉，靈敏度高。它們檢測(cè)溫度的微小變化，這是RTD或熱電偶無法觀察到的。但是，熱敏電阻是高度非線性的;因此，如果不應(yīng)用線性化技術(shù)，它們僅限于具有非常窄的溫度范圍的應(yīng)用。電路線性化技術(shù)可以用軟件完成。
盡管功能強(qiáng)大的ARM7內(nèi)核和高速SAR ADC，ADuC7122仍然提供低功耗解決方案。 ARM7內(nèi)核運(yùn)行在326.4 kHz且主ADC處于活動(dòng)狀態(tài)并測(cè)量外部溫度傳感器，整個(gè)電路通常消耗7 mA。在溫度測(cè)量之間，可以關(guān)閉ADC和/或微控制器，以進(jìn)一步降低功耗。
電路描述
圖1所示電路完全由USB接口供電。使用ADP3333（3.3V）低壓差線性穩(wěn)壓器將USB的5 V電源調(diào)節(jié)至3.3 V. 3.3 V穩(wěn)壓電源為ADuC7122提供DVDD電壓。如圖所示，ADuC7122的AVDD電源具有額外的濾波功能。濾波器也放置在線性穩(wěn)壓器輸入端的USB電源上。
在此應(yīng)用中使用ADuC7122的以下功能：
12位SAR ADC。
ARM7TDMI內(nèi)核：功能強(qiáng)大的16/32位ARM7內(nèi)核，集成126 kB閃存和SRAM內(nèi)存，運(yùn)行用戶代碼，用于配置和控制ADC，處理來自熱敏電阻傳感器的ADC轉(zhuǎn)換通過UART/USB接口控制通信。
UART：UART用作主機(jī)PC的通信接口。
兩個(gè)外部開關(guān)/按鈕（未顯示）用于強(qiáng)制部件進(jìn)入閃光啟動(dòng)模式。通過將DOWNLOAD保持為低電平并切換RESET開關(guān)，ADuC7122將進(jìn)入引導(dǎo)模式而不是正常用戶模式。在引導(dǎo)模式下，可以使用USB接口通過I2CWSD工具重新編程內(nèi)部閃存。
BUF_VREF：帶隙參考還通過緩沖器連接到BUF_VREF1和BUF_VREF2引腳，這些引腳可用作系統(tǒng)中其他電路的參考。這些引腳應(yīng)連接至少0.1μF的電容，以降低噪聲。
電路中使用的熱敏電阻為4.7kω電阻，型號(hào)為NCP18XM472。它采用0603表面貼裝封裝。圖2電路中使用的熱敏電阻在25°C時(shí)具有以下規(guī)格：?=3500（?參數(shù)描述電阻與溫度的關(guān)系）和電阻（R25）=4.7kω。
圖2：采用ADuC7122實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單溫度傳感器電路。
ADuC7122的USB接口采用FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，可轉(zhuǎn)換USB直接向UART協(xié)議發(fā)送信號(hào)。
除了圖1所示的去耦之外，USB電纜本身應(yīng)該有一個(gè)鐵氧體，以增加EMI/RFI保護(hù)。該電路中使用的鐵氧體磁珠是Taiyo Yuden，BK2125HS102-T，在100 MHz時(shí)阻抗為1,000ω。
電路必須在具有大面積接地平面的多層PC板上構(gòu)建。必須使用適當(dāng)?shù)牟季郑拥睾腿ヱ罴夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳性能。
圖2中的輸入熱敏電阻電路設(shè)計(jì)用于在0°C至90°C范圍內(nèi)進(jìn)行精確的溫度測(cè)量。請(qǐng)注意，此系統(tǒng)不包含溫度校準(zhǔn)。該電路包含一個(gè)簡(jiǎn)單的熱敏電阻電路，不包含電路線性化。如果該電路采用線性化技術(shù)，它可以在更寬的溫度范圍內(nèi)工作;然而，這會(huì)降低傳感器的分辨率。
圖2中的電路設(shè)置為分壓器配置。這將允許我們使用以下公式將ADC結(jié)果D轉(zhuǎn)換為RTH（熱敏電阻）電阻的測(cè)量值：
一旦計(jì)算出熱敏電阻的電阻，就可以使用Steinhart-Hart方程確定當(dāng)前的溫度傳感器。 Steinhart-Hart方程的簡(jiǎn)化?參數(shù)變化的傳統(tǒng)形式為：
其中：
T2=未知溫度V1=298Kβ=熱敏電阻@ 298K或25°C的β參數(shù)。 β=3500 R25=熱敏電阻@ 298K或25°C的電阻。 R25=4.7kωRTH=熱敏電阻的電阻@未知溫度，由上式計(jì)算得出
圖3描繪了ADuC7122對(duì)圖2中詳細(xì)說明的熱敏電阻傳感器的響應(yīng)溫度。
圖3：ADuC7122熱敏電阻傳感器測(cè)量輸出（轉(zhuǎn)換為伏特），ADCO與溫度的關(guān)系。
代碼說明
源代碼和超級(jí)終端配置用于測(cè)試連接電路的文件可以通過下載為zip文件。
UART配置為波特率為9600,8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)且無流量控制。如果電路直接連接到PC，則可以使用通信端口查看應(yīng)用程序（如HyperTerminal）查看程序發(fā)送到UART的結(jié)果（圖4）。對(duì)源代碼進(jìn)行了注釋，以便于理解和操作。使用KeilμVision3應(yīng)用程序編譯和測(cè)試代碼。
圖4：HyperTerminal通信端口查看應(yīng)用程序的輸出。
常見變化
ADP3333（3.3 V）可替換為ADP120（2.5 V），具有更寬的工作溫度范圍（-40°C至+ 125°C），功耗更低（通常為20μA與70μA相比，但具有較低的最大輸入電壓范圍（5.5 V與12 V）。注意，可以使用標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口對(duì)ADuC7122進(jìn)行編程或調(diào)試。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的UART至RS-232接口，F(xiàn)T232R收發(fā)器可以替換為需要3 V電源的ADM3202等設(shè)備。
此處描述的熱敏電阻電路可以適用于其他精密模擬微控制器，如ADuC7020系列，ADuC7023和ADuC7061系列。
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溫度傳感器電路設(shè)計(jì)：溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)方案
溫度檢測(cè)和控制應(yīng)用的范圍非常廣泛，所以有許多設(shè)計(jì)可供選擇。本方案提供深層次設(shè)計(jì)信息和電路，用于使用最流行的熱傳感器構(gòu)建熱檢測(cè)信號(hào)鏈。
一般而言，設(shè)計(jì)熱檢測(cè)和控制系統(tǒng)的第一步是確定必須檢測(cè)的溫度范圍以及工作環(huán)境溫度范圍。下一步是選擇熱傳感器。熱傳感器的類型主要有四種：硅、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。Maxim 提供完備的信號(hào)鏈方案或集成 IC，可接收溫度變送器信號(hào)、對(duì)其進(jìn)行處理，以及提供返回至控制器件的模擬或數(shù)字通信通路。
設(shè)計(jì)溫度傳感器電路的第一步是選擇將使用的溫度變送器。為實(shí)現(xiàn)以上目的，就需要了解被測(cè)量介質(zhì)（空氣、水，液體、固體）和測(cè)量溫度范圍。然后需要知道在測(cè)量范圍內(nèi)需要達(dá)到的測(cè)量精度。
常見的溫度變送器包括：
在保證傳感器量程必須滿足應(yīng)用的同時(shí)，通常還有附加選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括傳感器的安裝以及信號(hào)鏈和傳感器的成本。
選定變送器后，下一步是確定如何從變送器提取有用信號(hào)并將其傳輸至控制器。信號(hào)析取電路稱為信號(hào)鏈。對(duì)于每種變送器，有多種信號(hào)鏈可供選擇，包括單芯片方案。影響選擇使用哪種信號(hào)鏈的因素包括準(zhǔn)確度、靈活性、設(shè)計(jì)便利性以及成本。
熱電偶
熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。其特性包括寬溫范圍（可高達(dá)+1800°C）、低成本（與封裝有關(guān)）、輸出電壓非常低（K 型熱電偶的輸出大約為 40μV/°C）、合理的線性度，以及中等復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理。熱電偶要求第二個(gè)溫度傳感器（冷端補(bǔ)償）作為溫度基準(zhǔn)，信號(hào)調(diào)理要求查找表或算法修正。
下表所示為常見的熱電偶類型的輸出電壓與溫度關(guān)系：
下圖（圖 1）曲線所示為溫度量程范圍內(nèi)的電壓輸出。該曲線具有合理的線性度，盡管它相對(duì)于絕對(duì)線性具有明顯的偏差。
圖 1. K 型熱電偶輸出電壓和溫度關(guān)系。
下圖所示為相對(duì)于直線近似的偏差，假設(shè)平均靈敏度為 41.28μV/°C 時(shí)在 0°C 至+1000°C 范圍內(nèi)為線性輸出。為提高準(zhǔn)確度，可通過計(jì)算實(shí)際值或利用查找表進(jìn)行線性度修正。
圖 2. K 型熱電偶相對(duì)于直線近似的偏差。
如果溫度范圍較窄，熱電偶輸出非常低，利用熱電偶測(cè)量溫度就比較困難。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線（或引線）時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測(cè)量的復(fù)雜性。該接觸點(diǎn)被稱為冷端（見圖 3）。
圖 3. 熱電偶電路簡(jiǎn)圖。
圖 4 所示為完整的熱電偶至數(shù)字輸出電路。精密運(yùn)放和精密電阻為熱電偶輸出信號(hào)提供增益。通過監(jiān)測(cè)冷端位置處的溫度傳感器來修正冷端溫度，由 ADC 提供所需分辨率的輸出數(shù)據(jù)。一般情況下，需要通過校準(zhǔn)來修正放大器失調(diào)電壓，以及電阻、溫度傳感器和電壓基準(zhǔn)誤差，并且必須進(jìn)行線性化，來修正熱電偶非線性溫度 - 電壓關(guān)系的影響。
圖 4. 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例。
Maxim 制造的專用單芯片熱電偶接口可為各種類型的熱電偶實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理功能，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，并大大減少放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(shù)量。IC 列于“電路圖”標(biāo)簽頁(yè)。
Maxim 熱電偶方案
Maxim 提供適用于熱電偶傳感器的單芯片和分立式信號(hào)鏈方案。Maxim 的單芯片熱電偶至數(shù)字輸出接口 IC 為 MAX。
電阻溫度檢測(cè)器 — RTD
RTD 本質(zhì)上是阻值隨溫度變化的電阻。其特性包括寬溫范圍（高達(dá) 800°C）、卓越的精度和可重復(fù)性、合理的線性度，以及必要的信號(hào)調(diào)理功能。RTD 的信號(hào)調(diào)理通常包括一個(gè)精密電流源和一個(gè)高分辨率 ADC。盡管 RTD 的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，根據(jù)基材的不同，其成本會(huì)較高。鉑是最常見的 RTD 材料，鉑 RTD 表示為 PT-RTD，其準(zhǔn)確度最高；其它 RTD 材料包括鎳、銅和鎢（罕見）。RTD 的形式有探頭、表貼封裝以及裸線。
確定 RTD 可用量程的一個(gè)因素是 RTD 封裝。通過將鉑沉積在陶瓷基片上或?qū)K絲安裝在封裝內(nèi)，可制成 RTD。基片或封裝相對(duì)于鉑元件的膨脹率差異會(huì)引起附加誤差。
對(duì)于 PT-RTD，最常見的阻值為：0°C 時(shí)，標(biāo)稱阻值為 100Ω （PT100）、500?（PT500）和 1kΩ （PT1000），當(dāng)然也有其它電阻值。0°C 和+100°C 之間的平均斜率稱為阿爾法（α）。該值與鉑中的雜質(zhì)及其密度有關(guān)。最常見的兩個(gè)α值是：0. 和 0.，分別對(duì)應(yīng)于 IEC 751 （Pt100）和 SAMA 標(biāo)準(zhǔn)。
阻值與溫度的關(guān)系曲線具有適當(dāng)?shù)木€性度，但有一定彎曲，可由 Callendar-Van Dusen 方程表示：
R（T）=R0（1 + aT + bT2 + c（T - 100）T3）
關(guān)于該公式的更多信息請(qǐng)參考 Maxim 熱管理設(shè)計(jì)手冊(cè)。
下圖（圖 5）所示為一個(gè) PT100 RTD 的阻值 - 溫度曲線，利用α進(jìn)行了直線近似。注意，直線近似在 -20°C 至+120°C 范圍內(nèi)的精度優(yōu)于±0.4°C。
圖 5. PT100 RTD 電阻與溫度的關(guān)系曲線，同時(shí)也顯示了 0°C 至+100°C 范圍內(nèi)的直線近似。
圖 6 所示為實(shí)際阻值與利用直線近似計(jì)算值之間的誤差（單位為攝氏度）。
圖 6. PT100 的非線性，與基于 0°C 至+100°C 斜率的線性近似比較。
簡(jiǎn)單 2 線 RTD 的信號(hào)調(diào)理通常包括一個(gè)精密電阻（基準(zhǔn)電阻），與 RTD 串聯(lián)。對(duì) RTD 和精密基準(zhǔn)電阻施加電流的電流源，連接至高分辨率 ADC 的輸入。基準(zhǔn)電阻兩端的電壓為 ADC 的基準(zhǔn)電壓。ADC 的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 RTD 電阻與基準(zhǔn)電阻之比。圖 7 所示為簡(jiǎn)單 RTD 信號(hào)調(diào)理電路示例。
有幾種常見變種。電流源可能集成至 ADC，或者可能省去電流源并利用電壓源為 RTD-RREF 分壓器提供偏壓。因?yàn)殡妷涸粗挥性谶B接 RTD 和電路的線阻極低時(shí)才具有高準(zhǔn)確度結(jié)果，所以該方法不像電流源那么常見。
圖 7. RTD 信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)化圖。
3 線或 4 線 RTD 接口
如果 RTD 的電纜電阻較大（對(duì) PT100 而言通常為數(shù) m?），一般使用 3 線或 4 線 RTD。4 線接口采用加載和感應(yīng)連接 RTD，以消除線阻效應(yīng)；3 線提供一種折中方案，部分抵消線阻效應(yīng)。盡管外部線性電路可在有限溫度范圍內(nèi)提供較好的線性化，但通常使用查找表實(shí)現(xiàn)線性化。
為測(cè)量 RTD 的電阻，必須有一個(gè)小電流（大約 1 mA）通過傳感器，產(chǎn)生必要的電壓降。高電流致使 RTD 的鉑元素加熱至 RTD 的環(huán)境溫度以上（也稱為焦耳熱效應(yīng)）。熱量與 RTD 中的電功率（P=I2R）以及 RTD 檢測(cè)元件與 RTD 環(huán)境之間的熱傳遞成比例。
最常用的 RTD 容限標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E1137） A 級(jí)和 B 級(jí)，以及歐盟標(biāo)準(zhǔn) IEC 751 A 級(jí)和 B 級(jí)。
其中|t|為絕對(duì)溫度值，單位為°C。
Maxim RTD 方案
Maxim 提供單芯片和分立式信號(hào)鏈方案，用于 RTD 傳感器。Maxim 的單芯片 RTC 至數(shù)字輸出接口為 MAX。
熱敏電阻
熱敏電阻是一種熱變電阻，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或高分子材料。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。熱敏電阻可以是探頭、表貼、裸線等不同形式的專用封裝。
熱敏電阻能夠測(cè)量中等溫度范圍（通常可達(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測(cè)量更高溫度），成本為中 / 低等（取決于準(zhǔn)確度），線性度雖然較差，但具有可重復(fù)性。熱敏電阻的線性度隨溫度波動(dòng)較大。在 0°至 70°C 溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的非線性可達(dá)±2°C 至±2.5°C；在 10°至 40°C 溫度范圍內(nèi)的典型非線性可達(dá)±0.2°C。
使用熱敏電阻的一種簡(jiǎn)單、常見方法是使用分壓器，如圖 8 所示，其中的一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)定值電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出被一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化。
圖 8. 圖中的基本電路說明了熱敏電阻如何連接至 ADC。電阻 R1 和熱敏電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出電壓依賴于溫度。
NTC 熱敏電阻在較寬溫度范圍內(nèi)的負(fù)溫度系數(shù)較大。常見 NTC 的電阻值與溫度之間的關(guān)系請(qǐng)參見圖 9。對(duì)于較寬溫度范圍內(nèi)的線性和對(duì)數(shù)修正，這是個(gè)問題。
圖 9. 標(biāo)準(zhǔn) NTC 的電阻 - 溫度曲線。標(biāo)稱電阻為 10kΩ @ +25°C。注意曲線（a）的非線性和較高負(fù)溫度系數(shù)。曲線（b）為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，也呈現(xiàn)明顯的非線性。
NTC 在較寬溫度范圍內(nèi)的非線性會(huì)影響選擇用于數(shù)字化溫度信號(hào)的 ADC。由于圖 9 中的曲線斜率在極溫時(shí)下降明顯，所以與 NTC 一起使用的任何 ADC 的有效溫度分辨率在這些極溫下都受限，這就通常要求使用高分辨率 ADC。
如圖 8 所示一樣，將 NTC 與定值電阻組合使用，可提供一定的線性度，如圖 10 所示。通過選擇合適的定值電阻值，可將曲線上線性度最好的溫度范圍平移至滿足具體的應(yīng)用需求。
圖 10. 如圖 9 所示設(shè)計(jì)一個(gè) NTC 分壓器有助于在有限的溫度范圍內(nèi)線性化 NTC 的阻值曲線。NTC 和外部電阻 R1 上的電壓表示為溫度的函數(shù)。注意電壓在 0°C 至+70°C 范圍內(nèi)大體呈線性。
對(duì)于較寬溫度范圍的應(yīng)用，常見方法是使用 Steinhart–Hart 方程，這提供了三階近似。Steinhart–Hart 方程中，200°C 溫度范圍內(nèi)的誤差一般小于 0.02?C。
Maxim 熱敏電阻方案
Maxim 生產(chǎn)幾款基于單芯片熱敏電阻的不同數(shù)字輸出 IC。MAX 設(shè)計(jì)用于 RTD，也是用于熱敏電阻的極好選擇。
硅傳感器
硅溫度傳感器具有模擬或數(shù)字輸出。盡管硅傳感器的溫度范圍有限，但易于使用，并且許多具有附加功能，例如溫度監(jiān)控器功能。
模擬溫度傳感器
如果需要通過電流環(huán)路將輸出發(fā)送至監(jiān)測(cè)設(shè)備，模擬溫度傳感器非常有用。這種情況下也可轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，但信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)額外的轉(zhuǎn)換步驟。
模擬溫度傳感器 IC 利用雙極晶體管的熱特性來形成一路與溫度成正比的輸出電壓，有些情況下為電流。
最簡(jiǎn)單的模擬溫度傳感器只有三個(gè)有源連接：地、電源電壓輸入和輸出。其它具有增強(qiáng)特性的模擬傳感器還有更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準(zhǔn)輸出。
圖 11 所示為典型的模擬溫度傳感器， MAX6605 的輸出電壓 - 溫度曲線；圖 12 所示為該傳感器相對(duì)于直線的偏差。在 0°C 至+85°C 溫度范圍，線性度大約在±0.2°C 之內(nèi)，這相對(duì)于熱敏電阻、RTD 及熱電偶來說是相當(dāng)好的。
圖 11. MAX6605 模擬溫度檢測(cè) IC 的輸出電壓 - 溫度曲線。
圖 12. MAX6605 輸出電壓相對(duì)于直線的偏差。從 0°C 至+85°C 內(nèi)的線性度在大約±0.2°C 范圍之內(nèi)。
模擬溫度傳感器可具有非常優(yōu)異的準(zhǔn)確度。例如，DS600 在 -20°C 至+100°C 范圍內(nèi)的保證準(zhǔn)確度為±0.5°C；也有誤差容限較大的模擬傳感器，但是其中許多都具有非常小的工作電流（數(shù)量級(jí)為最大 15μA），并且封裝很小（例如 SC70）。
數(shù)字溫度傳感器
將一個(gè)模擬溫度傳感器與一個(gè) ADC 集成在一起，是創(chuàng)建具有直接數(shù)字接口的溫度傳感器的簡(jiǎn)單方式。這樣的器件通常被稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器。“本地”是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的是其自身的溫度，而遠(yuǎn)端傳感器測(cè)量的是外部 IC 或分立式晶體管的溫度。
圖 13 所示為兩個(gè)數(shù)字溫度傳感器的框圖。圖 13a 所示為一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)量溫度的傳感器，并通過一個(gè) 3 線數(shù)字接口輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。圖 13b 所示的器件具備更多特性，例如過溫 / 欠溫輸出、為這些輸出設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器，以及 EEPROM。
圖 13. 本地?cái)?shù)字溫度傳感器框圖。（a） 帶有串行數(shù)字輸出的簡(jiǎn)單傳感器。（b） 具有更多功能的傳感器，例如過溫 / 欠溫報(bào)警輸出和用戶 EEPROM。
使用數(shù)字溫度傳感器的好處之一是傳感器的準(zhǔn)確度指標(biāo)內(nèi)包括了在將溫度值數(shù)字化時(shí)所產(chǎn)生的所有誤差；相比之下，模擬溫度傳感器的規(guī)定誤差還必須加上 ADC、放大器、電壓基準(zhǔn)或傳感器所使用的其它元件的規(guī)定誤差。極高性能數(shù)字溫度傳感器的例子之一是 MAX，在 -40°C 至+105°C 溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度達(dá)到±0.5°C。MAX 可用于 -55°C 至+125°C 溫度范圍，最大溫度誤差只有±0.7°C，分辨率為 16 位（0.°C）。
大多數(shù)數(shù)字溫度傳感器都具有一路或多路輸出來指示實(shí)測(cè)溫度已經(jīng)超出了預(yù)設(shè)（通常軟件可編程）限值。輸出行為可以像一個(gè)比較器輸出一樣，當(dāng)溫度高于門限時(shí)為一種狀態(tài)，當(dāng)溫度低于門限時(shí)為另一種狀態(tài)。另一種常見的輸出實(shí)現(xiàn)方法就像一個(gè)中斷，只有主控設(shè)備采取動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)后才會(huì)被復(fù)位。
數(shù)字溫度傳感器可帶有各種各樣的數(shù)字接口，包括 I2C、SMBusTM、SPITM、1-Wire?和 PWM。
