基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器的应用研究
基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器的应用研
究
摘要：温度传感器应用非常广泛，从工业生产温度监控到生活家电温度监测处处存在。基于铂
电阻的惠斯通电桥温度传感器因其可测范围宽而被广泛应用。由于集成电路系统功能越来越丰
富，对于温度传感器的读出电路如果输出数字表征量，系统可以简单读取即可得到被测物品或
者环境的温度，大大简化了系统设计。本文利用开关电容放大器，将惠斯通电桥温度传感器输
出的弱电压信号放大，然后经过 Sigma Delta ADC 和数字滤波器转换成数字信号，最后通过
I2C 输出 16 bit 的精确表征温度的数字信号。设计时先采用 Matlab 建模，得到 sigma delta ADC
的系数，然后采用 SMIC 0.18μm 工艺实现具体电路，芯片供电电源 3.3 V。仿真结果表明，输
出的数字信号能精确地表征绝对温度值。
关键词：惠斯通电桥; 铂电阻; 温度传感器; 开关电容放大器; Sigma Delta ADC;
Abstract：Temperature sensors are widely used, ranging from industrial production temperature
monitoring to household appliances temperature monitoring. Wheatstone bridge temperature sensor
based on platinum resistance is widely used because of its wide measuring range. As the function of
integrated circuit system is more and more abundant, if the readout circuit of temperature sensor
outputs digital signal, the system can simply read the temperature of the object or environment to be
measured, which greatly simplifies the system design. In this paper, a switched capacitor amplifier is
used to amplify the weak voltage signal from Wheatstone bridge temperature sensor, and then
converted into digital signal through sigma delta ADC and digital filter. Finally, a 16 bit digitalized
temperature signal is output by I2C. In the design, MATLAB is used to finish the system design and
get the coefficient of sigma delta ADC. Then the real circuit based on SMIC 0.18 um technology is
realized with cadence software. The readout circuit adopts 3.3 V power supply. The simulation results
show that the output digital signal can accurately characterize the absolute temperature value.
引言
铂电阻温度传感器（RTD）是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温
度，RTD 是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但 RTD 也是最
慢和最贵的温度传感器。因此 RTD 最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用
领域。铂电阻温度传感器具有极佳的可互换性和长期稳定性，广泛应用于气象和环保等部门。
但是由于铂电阻温度传感器输出电阻较大，而且其灵敏度约 0.24%/℃。本文根据系统需要，目
标温度测量范围-40～120℃，设计一款高阻输入、数字化输出的读出电路，主要包括能有效接
收温度传感器的输出的微弱电压的高阻输入放大器，放大其幅度以便满足后续的模数转换电路
（ADC）的输入范围，然后又 ADC 转换为数字信号通过标准接口 I2C 输出给系统。该读出电
路的关键参数包括放大器的高阻输入、等效输入噪声、输入失调、增益误差以及整体芯片输出
绝对精度[1]等。
1 温度传感器读出电路设计
1.1 读出电路的系统设计
用于惠斯通电桥的温度传感器系统框图如图 1所示，整个系统包括基于铂电阻的惠斯通电桥传
感器和温度传感器读出电路。温度传感器读出电路主要由 SC
AMP[2]、ΣΔADC、Filter、I2C、Bandgap 和OSC 组成。SC AMP 将传感器输出的较小的模拟
电压放大到 ΣΔADC 的满幅输入范围，这样有助于最大程度的利用 ADC 的动态范围。ΣΔADC
将模拟量转换为数字量，最后通过 I2C 输出。OSC 为整个电路提供时钟，Bandgap 为模拟提供
偏置。
图1 惠斯通电桥温度传感器系统框图
电桥 R1=3.5kΩ，Rt 为铂电阻，阻值 500Ω，其温度系数 0.24%/℃。R0 取Rt 一样的电阻值，但
是其温度系数应该至少比 Rpt 小一个数量级。在-40～120℃范围内，VRP-VRN 取3.3 V，电桥
摘要：
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基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器的应用研究摘要：温度传感器应用非常广泛，从工业生产温度监控到生活家电温度监测处处存在。基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器因其可测范围宽而被广泛应用。由于集成电路系统功能越来越丰富，对于温度传感器的读出电路如果输出数字表征量，系统可以简单读取即可得到被测物品或者环境的温度，大大简化了系统设计。本文利用开关电容放大器，将惠斯通电桥温度传感器输出的弱电压信号放大，然后经过SigmaDeltaADC和数字滤波器转换成数字信号，最后通过I2C输出16bit的精确表征温度的数字信号。设计时先采用Matlab建模，得到sigmadeltaADC的系数，然后采用SMIC0.18μ...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
价格：免费
属性：3 页
大小：19.75KB
格式：DOCX
时间：2023-05-19
