雖然溫度測量對于很多應用來說是一項常規要求，但開發人員在確保結果高度準確方面仍面臨嚴峻挑戰。克服這些挑戰往往會導致設計過于復雜以及設計周期的延長，但新型器件的出現正在不斷降低這種復雜性。

本文旨在簡單討論一下與開發精確解決方案相關的溫度測量要求和挑戰。隨后本文會介紹Linear TechnologyLTC2986-1溫度傳感器，說明該產品如何應對這些挑戰；最后會向開發人員展示如何在含有各種溫度傳感器（包括熱電偶、RTD 和熱敏電阻）的典型應用中利用這些功能。

溫度測量要求和技術

在構建強大的溫度測量系統時，設計人員需要利用各類傳感器來滿足其對成本、精度和溫度范圍的特定要求。在這些傳感器類型中，通常會在苛刻的環境中使用熱電偶，因為它們能夠測量 -265°C 至 1800°C 以上的溫度。

熱電偶所產生的電壓是尖頭與其冷結（用來構成熱電偶的兩條導線的末端）之間溫差的函數。因此，整體測量精度取決于熱電偶電壓和冷結的精確測量。

由于 Seebeck 效應，熱電偶會產生電壓梯度，而其他常見的溫度傳感器還包括電阻溫度檢測器 (RTD)、熱敏電阻和二極管，同時需要激勵電流才能產生隨溫度變化的電壓輸出。作為電阻器件，RTD 和熱敏電阻還需要與激勵電流源串聯的精密檢測電阻。檢測電阻會與電阻器件形成一個電阻網絡，從而可對通過傳感器的電壓進行輻射計式測量。最后，就各種類型的傳感器而言，開發人員需要采用相應方法，以便使用查找表或方程將測量結果轉換為線性化溫度數據。

除了要處理傳感器外，開發人員在確保溫度測量系統正常運行方面也面臨著多重挑戰。溫度傳感器通常放置在工廠、商業環境、建筑物和家中一些環境較為惡劣的位置，無論在那里，應用都要求能夠測量空氣或液體流動中的溫度梯度。在工業應用中，在傳感器和測量系統輸入之間使用長電纜，會使電纜受到電氣噪聲、磨損和外部電壓源影響，可能會損壞傳感器及其測量系統。

工程師采用了各種各樣的方法來處理影響溫度測量系統性能的各種因素。隨著對溫度傳感器需求的不斷增長，傳統方法通常會加大設計的復雜度，并且還會增加部署和維護成本。Linear Technology 的 LTC2986-1 能應對這些挑戰，它可以借助多個傳感器提供精確的溫度測量，開發人員需要花費的精力也很少。

降低復雜性

Linear Technology 的 LTC2986-1 是一款多通道溫度測量系統，旨在簡化設計復雜性，支持大多數傳感器類型，其中包括熱電偶、RTD、熱敏電阻、二極管和有源模擬溫度傳感器。由于此器件已集成完整的信號路徑、轉換、線性化和其他功能，因此開發人員可借助溫度傳感器本身及一些其他元器件實現高度精確的溫度測量設計（圖 1）。如下所述，盡管該系列的早期產品（如 Linear TechnologyLTC2984）可提供更多輸入通道，但 LTC2986-1 能提供其他工作模式，從而實現以獨特的解決方案提高精度。

圖 1：Linear Technology 的 LTC2986-1 具備十個輸入通道、可編程電流源、內置線性化表和故障檢測功能，所以設計人員可將各種溫度傳感器與其連接。（圖片來源：Linear Technology）

對于 RTD、熱敏電阻和二極管，該器件會自動產生指定電平的激勵電流，測量所得的傳感器電壓，并生成線性化結果（單元為 °C 或 °F）。LTC2986-1 經過預編程，帶有針對大多數 RTD 和熱敏電阻的轉換和線性化數據。同樣地，該器件幾乎能對所有標準熱電偶進行預配置，還能使用 RTD、熱敏電阻、二極管或有源模擬溫度傳感器支持冷結補償。就溫度測量而言，該器件會自動求解將熱電偶輸出電壓和冷結測量值轉換為實用溫度讀數所涉及的多項式方程。對于更為常規的轉換要求，開發人員可使用 LTC2986-1 的模數轉換器 (ADC) 執行單端或差分電壓測量，生成原始電壓結果或利用可編程查找表對結果進行轉換。

除了行業標準器件的數據外，該器件還可與定制 RTD、熱電偶、二極管、有源傳感器和熱敏電阻配合使用。對于定制器件，開發人員可將查找表加載到存儲器中，該表包含多達 64 個表示傳感器相對溫度輸出值的數據點。對于定制熱敏電阻，開發人員還可直接將多達六個熱敏電阻制造商通常提供的 Steinhart-Hart 系數加載到該器件。與標準傳感器的內置數據一樣，該器件在轉換過程及軟故障檢測期間會使用這些定制系數和查找表確認最終的溫度插值（圖 2）。

圖 2：Linear Technology 的 LTC2986-1 可將開發人員創建的查找表用于定制器件，當輸入值超出所提供的輸入數據范圍時，會自動報錯。（圖片來源：Linear Technology）

提高精度和保護

對于轉換過程，該器件使用多個周期來提升精度。在正常操作中，該器件會是使用兩個周期，已在產生最終溫度結果之前補償失調誤差和噪聲。開發人員也可以用三周期模式使用該器件，即放緩測量速度以獲取某些好處；其中三周期模式和兩周期模式的時間分別約 251 毫秒 (ms) 和 167 ms。

在三周期模式下，該器件可以在第一個周期通過產生電流脈沖來執行開路檢測，然后再進行兩個周期的正常轉換過程。若該器件在隨后的轉換周期內檢測到較高電壓，它將會設置一個狀態位以報告硬故障，從而指示熱電偶或電纜可能已受損。此外，除開路所致的硬故障外，該器件還能報告多種不同的故障情況（圖 3）。

圖 3：Linear Technology 的 LTC2986-1 可為所有傳感器讀數生成硬故障和軟故障，還能提供與熱電偶傳感器相關的冷結測量附加結果，如圖所示。（圖片來源：Linear Technology）

除了保護應用免受傳感器故障影響外，開發人員通常還會采用設計技術專門來保護測量系統本身。溫度傳感器通常會用于惡劣環境。諸如熱電偶之類的傳感器通常完全外露，以便為測量系統的輸入提供可接入的導電路徑。即便使用 RTD 或熱敏電阻等封裝傳感器，電纜也有可能受損，進而導致引線可能出現高壓短路或彼此之間的短路。最后，即使是非常細心的操作員和技術人員也會不小心做出錯誤的電纜連接，尤其是在可與不同傳感器類型的通用硬件連接配合使用的應用中。

為了保護測量系統不出現過壓情況，開發人員通常會在測量系統的傳感器和輸入通道之間放置限流電阻。通常情況下，設計人員會增加電容器以建立低通濾波器，進而減弱噪聲源。這些濾波器會延長建立時間，在使用激勵電流脈沖的方法（如上文所述的 LTC2986-1 轉換過程）中運用這些濾波器特別有問題。除了建立時間會增加復雜度外，保護電阻的使用也會影響測量精度。

LTC2986-1 所提供的功能和工作模式專為減輕保護電阻的次要不利影響而設計。例如，為了抵消因器件輸入端的較大濾波器所致的建立時間延長，開發人員可在該器件的輸入多路復用器開關時間中編程加入附加延遲。假如可能會對結果產生更大影響，該器件獨特的激勵電流模式可解決更多與保護電阻相關的串聯電阻的基本問題。

雖然保護電阻對于確保安全而言至關重要，但是用于像 RTD 或熱敏電阻這樣的任何電阻器件時很有問題。在兩端子電阻器件中，當激勵電流流經保護元件的附加串聯電阻時，添加保護電阻會影響電壓測量。由于傳感器是電阻器，開發人員通常也要面臨將傳感器電阻與保護電阻及其引線相關的附加串聯電阻分開的挑戰。

為了解決此問題，工程師采用 3 線 RTD，并在 RTD 端子和外加電線之間使用電阻來測量引線電阻。當然，這種方法需要仔細匹配引線長度和串聯電阻以確保其精度。為避免出現匹配問題，采用 4 線式或開爾文檢測，在每個端子上使用電阻器可能是更好的解決方案（圖 4）。

圖 4：傳統 4 線 RTD 允許電流繞過用于保護測量通道的串聯電阻（此圖中的 CH3 和 CH4），因此通過這些通道的漏電電流非常低，進而能將測量誤差控制在有限范圍。（圖片來源：Linear Technology）

在此配置中，電流通過的路徑（圖 4 中的 CH1 至 CH5）不涉及測量通道（CH3 和 CH4）上的串聯保護電阻。流經測量通道的所有電流均僅限于器件的漏電電流。由于 LTC2986-1 的輸入漏電電流小于 1 納安 (nA)，相關的測量誤差通常會遠遠低于任何所需的分辨率水平。

不過，若是借助 LTC2986-1，此方法便不再受限于 4 線 RTD。工程師可以對器件進行配置，使用 3 線 RTD、2 線 RTD 和熱敏電阻執行開爾文檢測。

對于各種此類傳感器，LTC2986-1 可提供獨特的激勵模式，即將相鄰通道用作電流路徑。為了實現這種模式，開發人員需在每個傳感器端子和獨立的 LTC2986-1 輸入之間連接一個附加保護電阻。然后，僅需在 LTC2986-1 配置寄存器中設置位并正確配置輸入通道，即可啟用這一附加電流路徑（圖 5）。與更為傳統的 4 線器件一樣，激勵電流可躲開測量通道，從而減少測量誤差。

圖 5：開發人員可以將 Linear Technology 的 LTC2986-1 配置為使用相鄰通道作為激勵電流路徑，從而為 2 線 RTD 和熱敏電阻帶來開爾文檢測的優勢。（圖片來源：Linear Technology）

無論設計人員是否使用這種替代激勵模式，他們在采用 LTC2986-1 設置傳感器時仍需遵循基本協議。為了實現傳感器連接，他們需要對通道進行分配并利用傳感器配置數據加載相關的存儲器位置（圖 6）。此通道分配數據會駐留在 RAM 中的連續位置，并與該器件的十個輸入通道一一對應。對 RAM 進行編程后，開發人員可以在器件內置的 EEPROM 中保存配置，以便在隨后的掉電或休眠周期后進行恢復。

圖 6：為了配置 Linear Technology 的 LTC2986-1，開發人員需創建包含相關傳感器詳細信息的通道分配數據塊。（圖片來源：Linear Technology）

在存儲器的各個通道分配數據塊內，開發人員需定義傳感器配置的詳細信息，包括傳感器類型、通道、傳感器配置、激勵電流以及標準或定制轉換信息的預定義值。以下所示為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 器件的存儲器映射（圖 7）。

圖 7：通道分配數據包含每個傳感器的相關配置細節——此處為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 的相關存儲器映射。（圖片來源：Linear Technology）

只有仔細關注每個細節，才能在復雜的多傳感器溫度系統中為每個通道配置合適的存儲器映射。由于該器件具備適合各種傳感器和傳感器類型的內置支持，開發人員則需確保為其特定的傳感器選擇正確的代碼。配置錯誤可能會對結果產生嚴重影響。

為免于手動配置，Linear Technology 可提供基于 Windows?的免費LTC2986 演示軟件程序，如此一來，開發人員便能利用下拉菜單選項為每個通道指定配置。開發人員可以從演示板或 LTC2986-1 規格書中所示特定圖表，加載配置示例（圖 8）。

圖 8：Linear Technology LTC2986 演示軟件可簡化器件的使用方式，即為相關硬件開發板提供預定義配置下拉菜單選擇，以及加載 LTC2986-1 規格書中的示例。（圖片來源：Linear Technology）

例如，上文圖 6 所示的兩個 4 線 RTD 配置就取自 LTC2986-1 規格書中的圖 22。從該程序的配置下拉菜單中選擇該圖即可為該配置生成相應的設置（圖 9）。

圖 9：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可依次產生用于生成通道分配數據的詳細配置。（圖片來源：Linear Technology）

除了簡化配置創建外，該程序還能對定制配置進行評估以確保分配正確無誤。最重要的是，該程序還可生成一組相應的 C 語言頭文件和軟件例程，而且都能在 Linear Technology 的DC2026Arduino 兼容的 Linduino One 板上執行，處理起來毫不費力。

例如，圖 9 所示配置生成的 C 代碼會自動生成初始化例程，其中包含實現所需存儲器映射的軟件分配（如圖 7 所示）。正如列表 1 所示，生成的代碼會使用隨附的一組已定義常數來創建相應的通道分配語句（列表 1）。

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 . . .
void configure_channels()
{
 uint8_t channel_number;
 uint32_t channel_assignment_data;

 // ----- Channel 2: Assign Sense Resistor -----
 channel_assignment_data = 
 SENSOR_TYPE__SENSE_RESISTOR |
 (uint32_t) 0x9C4000 << SENSE_RESISTOR_VALUE_LSB;??????????? // sense resistor - value: 10000.
? assign_channel(CHIP_SELECT, 2, channel_assignment_data);
 // ----- Channel 4: Assign RTD PT-100 -----
 channel_assignment_data = 
 SENSOR_TYPE__RTD_PT_100 |
 RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |
 RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |
 RTD_EXCITATION_MODE__ROTATION_SHARING |
 RTD_EXCITATION_CURRENT__100UA |
 RTD_STANDARD__ITS_90;
 assign_channel(CHIP_SELECT, 4, channel_assignment_data);
 // ----- Channel 7: Assign RTD PT-500 -----
 channel_assignment_data = 
 SENSOR_TYPE__RTD_PT_500 |
 RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |
 RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |
 RTD_EXCITATION_MODE__NO_ROTATION_SHARING |
 RTD_EXCITATION_CURRENT__50UA |
 RTD_STANDARD__AMERICAN;
 assign_channel(CHIP_SELECT, 7, channel_assignment_data);

}
 . . .
// -------------- Run the LTC2986 -------------------------------------

void loop()
{
 measure_channel(CHIP_SELECT, 4, TEMPERATURE); // Ch 4: RTD PT-100
 measure_channel(CHIP_SELECT, 7, TEMPERATURE); // Ch 7: RTD PT-500
}

列表 1：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件程序生成的代碼會自動產生通道分配語句，包括與圖 7 所示存儲器映射對應的通道 4 分配。（代碼來源：Linear Technology）

無論是采用 Linduino 平臺還是其他硬件，所生成的代碼集都會展示與使用 LTC2986-1 相關的主要設計模式。例如，列表 1 中的代碼片段顯示了數據采集的基本回路。只要查閱生成的代碼，開發人員便能檢查器件使用所涉及的具體操作。例如，列表 1 中顯示的頂級函數 x measure_channel 會調用訪問器件寄存器的低級例程來啟動轉換，等待完成，然后讀取結果（列表 2）。在此例中，所生成的程序只是將結果打印到控制臺，但開發人員可以輕松為其應用修改該代碼。

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// *****************
// Measure channel
// *****************
void measure_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)
{
 convert_channel(chip_select, channel_number);
 get_result(chip_select, channel_number, channel_output);
}


void convert_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number)
{
 // Start conversion
 transfer_byte(chip_select, WRITE_TO_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, CONVERSION_CONTROL_BYTE | channel_number);

 wait_for_process_to_finish(chip_select);
}

 . . .

void wait_for_process_to_finish(uint8_t chip_select)
{
 uint8_t process_finished = 0;
 uint8_t data;
 while (process_finished == 0)
 {
 data = transfer_byte(chip_select, READ_FROM_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, 0);
 process_finished = data & 0x40;
 }
}


// *********************************
// Get results
// *********************************
void get_result(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)
{
 uint32_t raw_data;
 uint8_t fault_data;
 uint16_t start_address = get_start_address(CONVERSION_RESULT_MEMORY_BASE, channel_number);
 uint32_t raw_conversion_result;

 raw_data = transfer_four_bytes(chip_select, READ_FROM_RAM, start_address, 0);

 Serial.print(F("\nChannel "));
 Serial.println(channel_number);

 // 24 LSB's are conversion result
 raw_conversion_result = raw_data & 0xFFFFFF;
 print_conversion_result(raw_conversion_result, channel_output);

 // If you're interested in the raw voltage or resistance, use the following
 if (channel_output != VOLTAGE)
 {
 read_voltage_or_resistance_results(chip_select, channel_number);
 }

 // 8 MSB's show the fault data
 fault_data = raw_data >> 24;
 print_fault_data(fault_data);
}

列表 2：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可生成 Linduino 就緒代碼，包括旨在執行器件通道低級訪問的支持例程，如此代碼片段所示。（代碼來源：Linear Technology）

借助該軟件，開發人員可使用 Linear TechnologyDC2608A套件快速啟動 LTC2986-1 硬件開發。DC2618 套件旨在與 Linduino 配合使用，提供含有 LTC2986-1 的演示板和試驗板。與 LTC2986 演示軟件結合使用時，此套件便能為快速開發溫度感測應用提供一個平臺。

總結

溫度測量系統通常需要在苛刻的環境下工作，這就為開發人員帶來了一系列挑戰，保護機制與測量精度之間的沖突便是其中之一。借助 LTC2986-1 和相關開發工具，工程師現在可以快速實現既安全、又精確的溫度測量系統。