简介
有多种类型的传感器可以用于测量温度。具体选择何种传感器，取决于所测量的温度范围和所需的精度。系统精度取决于温度传感器的精度和用于数字化传感器输出的ADC性能。许多情况下，来自传感器的信号幅度非常小，因而需要高分辨率ADC。 - 型ADC适合这些系统，因为此类ADC是高分辨率器件，而且常常包括温度测量系统所需的额外片内电路，例如激励电流等。本应用笔记介绍可用的温度传感器(热电偶、RTD、热敏电阻和热二极管)以及传感器与ADC接口所需的电路，还会讨论对ADC的性能要求。
热电偶
热电偶由两种不同类型的金属组成。当温度高于零摄氏度时，在两种金属的连接处会产生温差电压，电压大小取决于温度相对于零摄氏度的偏差。热电偶具有体积小、工作温度范围宽等优点，非常适合恶劣环境中的极高温度(高达2300℃)测量。但是，热电偶的输出为mV级，因此需要经过精密放大才能作进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度也不一样，一般仅为每摄氏度几mV，因此需要高分辨率、低噪声ADC。
图1给出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793 ΣΔ ADC的热电偶系统。其片内仪表放大器首先对热电偶电压进行放大，然后通过ADC对放大的电压信号进行模数转换。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线性范围以内，因此系统能够利用单电源工作。这种低噪声、低漂移、片内带隙基准电压源，能够确保模数转换的精度，从而保证整个温度测量系统的精度。
冷结温度使用电阻式温度检测器(RTD)或热敏电阻（图1显示了一个热敏电阻RT）进行测量。这些元件的电阻都会随温度而变化。片内恒流源提供所需的激励电流。该测量使用比率式配置，即ADC的基准电压也会从同一激励电流利用一个精密电阻产生。比率式配置使得冷结温度的测量不受激励电流变化的影响，因为激励电流的变化将使传感器产生的电压和精密电阻产生的电压改变相同的幅度，因此对模数转换没有影响。
RTD
RTD的电阻随温度而变化。RTD使用的典型元素有镍、铜和铂，100 和1000 铂制RTD最为常见。RTD适合测量–200°C至+800°C的温度，整个温度范围内的响应几乎呈线性。RTD由三线或四线组成。图2显示了一个三线RTD如何连接到ADC。RL1、RL2和RL3为RTD引线的电阻。
为了全面优化三线RTD配置，需要2个完美匹配的电流源。
在此三线配置中，如果只使用一个电流源(IOUT1)，则引线电阻会造成误差，因为激励电流流经RL1，在AIN1(+)与AIN1(–)之间产生电压误差。第二个RTD电流源(IOUT2)用于补偿流经RL1的激励电流所引入的误差。各电流源的绝对精度不重要，关键是这两个电流源需要精密匹配。第二个RTD电流流经RL2。假设RL1与RL2相等(引线一般为同种材料且长度相同)，IOUT1与IOUT2匹配，则RL2上的误差电压将抵消RL1上的误差电压，因而AIN1(+)与AIN1(-)之间不会产生误差电压。RL3上会产生两倍的该电压，但它是共模电压，不会引入误差。
ADC具有差分模拟输入，并接受差分基准电压，因此允许实施比率式配置。图2中，ADC的基准电压也是利用匹配的电流源产生。此基准电压在精密电阻RREF上产生，应用于ADC的差分基准电压输入端。这种方案可确保模拟输入电压范围始终与基准电压成比例。RTD电流源的温度漂移所引起的模拟输入电压的任何误差，都会通过基准电压的变化予以补偿。
电阻温度探测器
电阻温度探测器的电阻随着温度变化而变化。电阻温度探测器的常用材料是镍、铜、铂，其中电阻在100Ω ~ 1000Ω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℃ ~ +800℃的整个温度范围内具有接近线性响应的温度测量。一只电阻温度探测器包括3根或4根导线。
热敏电阻器
热敏电阻器的电阻也随着温度的变化而变化，但是其精度不如电阻温度探测器。热敏电阻通常使用单电流电源。同使用电阻温度探测器一样，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器，这意味着可以实现一种比率配置。这也说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，同时也影响基准电阻器，因此抵消了漂移影响。在热电偶应用中，通常利用热敏电阻器进行冷接点补偿。热敏电阻器的标称电阻值通常为1000Ω或更高。
热敏二极管
热二极管也可用于温度测量。这些系统中，通过测量以二极管形式连接的晶体管的基极-发射极电压来计算温度。让两个不同的电流通过二极管，测量每种情况下的基极-发射极电压。在电流比已知的情况下，通过测量两个电流下基极-发射极电压的差值，可以准确计算出温度。
图3中，AD7792/AD7793激励电流被设置为10 A和210 A(也可以使用其它选项)。首先让210 A激励电流通过二极管。ADC测量晶体管的基极-发射极电压。然后在10 A电流下重复进行测量。这意味着电流减小21倍。电流的绝对值对于测量不重要，但要求其比值固定。
由于电流源集成于片内，因此AD7792/AD7793能保证电流源精密匹配，因而电流比固定不变。恒定电流比对于消除寄生误差是非常有必要的，否则将影响温度测量。基极-发射极电压测量的两次读数被送至一个微控制器，以便计算温度。
其中：
n = 理想因子 = 实测量
K = 波尔兹曼常数
N = IC2与IC1的比
Q = 电荷量
VBE由ADC实测
对ADC的要求
架构
温度测量系统通常是低速(每秒采样最多100次)的，因此窄带ADC比较适合；但是，ADC必须具有高分辨率。窄带与高分辨率的要求，使得ΣΔ ADC成为这种应用的理想选择。在这种结构下，开关电容器前端模拟输入连续采样，采样频率明显高于有用带宽。
ΣΔ调节器将采样的输入信号转换为数字脉冲串，其“1”的密度包括数字量信息。ΣΔ调节其还能进行噪声整形。通过噪声整形，有用带宽内的噪声被移到有用带宽以外，到达无用的频率范围。调节器的阶数越高，在有用带宽内对噪声整形的作用就越明显。但是，较高阶调节器容易不稳定。因此，必须在调节器阶数与稳定性之间进行权衡。在窄带ΣΔ ADC中，通常使用二阶或三阶调节器，器件稳定性良好。
调节器后面的数字滤波器对调节器输出进行采样，给出有效的数据转换结果。该滤波器还能滤除带外噪声。数字滤波器图像频率会出现在主时钟频率的多倍频处，因此，利用ΣΔ结构意味着所需的唯一外部元件是一个简单的RC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。ΣΔ结构使24位 ADC具有20.5字节的峰峰分辨率(稳定或无闪烁的字节)。
增益
通常，来自温度传感器的信号都非常微弱，对于几度的小范围温度变化，热电偶与电阻温度检测器等温度传感器产生的相应模拟电压变化最多仅为数百mV。因此，典型满量程模拟输出电压只在mV范围内。如果不采用增益级电路，ADC的满度范围通常为±VREF。为了使ADC的性能最优化，应当使用其大部分的模拟输入范围。在使用这类传感器测量温度时，增益的重要性异常突出。要是没有任何增益，则ADC满度范围只有一小部分使用，这将损失分辨率。
仪表放大器允许开发低噪声、低温漂的增益级电路。低噪声与低温漂非常关键，可以保证因温度变化引起的电压变化大于仪表放大器的噪声电压。AD7793的增益可以设置为1, 2, 4, 8, 16, 32, 64或128。利用128倍的最大增益设置以及产生的基准电压源，AD7793的满度范围是±1.17 mV/128 mV或者大约±10 mV。这样，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50Hz/60Hz频率的抑制
ΣΔ ADC的内置数字滤波器对于抑制带外量化噪声以及其它噪声源非常有效。噪声源之一是电力网供电系统产生的频率。当电力网为器件供电时，将产生50 Hz及其倍频的供电系统频率(在欧洲)，或产生60 Hz及其倍频的供电系统频率(在美国)。窄带ADC主要采用sinc滤波器。AD7793有4个滤波器选项，ADC可以根据更新速率自动选择需要使用的滤波器种类。在16.6 Hz的更新速率下使用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，可以利用这些凹槽同时抑制50 Hz或60 Hz的频率。
斩波器
系统中总是会出现诸如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的一个固有特性，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)进行一次模数转换。接着，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
大量温度系统不是由主电源供电。一些工业应用中，例如工厂中的温度监控，包括传感器(ADC)和微控制器在内的整个温度系统都位于一块采用4 mA至20 mA环路供电的独立电路板上。因此，独立电路板的电流预算最大值为。诸如矿山中的便携式气体分析仪等便携式设备则要求在气体环境下测量温度。这些系统采用电池供电，其设计目标就是最大化电池的使用寿命。这些应用中，低功耗至关重要，同时仍然要求高性能。AD7793的最大功耗为，它在满足温度系统的高性能要求的同时，只消耗相对较低的电流。
结论
温度测量系统对ADC和系统的要求非常苛刻。各种类型的温度传感器所需的元件各不相同，但这些传感器所产生的模拟信号均非常小。因此，需要用增益级放大这些信号，同时放大器的噪声必须非常低，不致于淹没传感器的信号。放大器之后需接一个高分辨率ADC，以将传感器的低电平信号转换为数字信息。采用 ? 架构的ADC适合此类应用，因为利用这种拓扑结构能够开发出高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益级之外，温度系统还需要其它元件，如激励电流或基准电压源等。同样，这些元件必须是低漂移、低噪声元件，不致于降低系统精度。诸如失调等初始精度误差可以通过校准从系统中消除，但元件随温度的漂移必须非常低，以免引入误差。最后，不仅任何便携式应用都会关注功耗，而且原先采用主电源供电的大量系统，现在纷纷改用独立板设计，因此功耗问题愈发重要。
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