本文首先讨论基于热敏阻值的体温检测系统的历史和设计挑战，以及它与基于内阻体温测量器(RTD)的体温检测系统的比较。据悉，本文就会简略介绍热敏内阻选择、配置权衡，以及Σ-Δ型模数转换器(ADC)在该应用领域中的重要作用。
热敏内阻与RTD
正如文章""中所讨论的，RTD是一种内阻值随气温变化的内阻器。热敏内阻的工作方法与RTD类似。RTD仅有正气温系数，热敏内阻则不同，既可以有正气温系数，也可以有负气温系数。负气温系数(NTC)热敏内阻的电阻会随着气温下降而减少，而正气温系数(PTC)热敏内阻的电阻会随着气温下降而减小。图1显示了典型NTC和PTC热敏内阻的响应特点，以及它们与RTD曲线的比较。
图1.热敏内阻与RTD的响应特点比较
在气温范围方面，RTD曲线接近线性，而热敏内阻具有非线性（指数）特点，因而后者覆盖的气温范围（一般为–200°C至+850°C）比前者要宽得多。RTD一般提供众所周知的标准化曲线，而热敏内阻曲线则因制造商而异。我们将在本文的"热敏内阻选择手册"部份详尽讨论这一点。
热敏内阻由复合材料——通常是陶瓷、聚合物或半导体（一般是金属氧化物）——制成，与由纯银属（铂、镍或铜）制成的RTD相比，后者要小得多且更实惠，但不如前者结实。热敏内阻才能比RTD更快地测量体温变化，进而提供更快的反馈。为此，热敏内阻传感常用于要求低成本、小规格、更快响应速率、更高灵敏度且气温范围受限的应用，比如监控电子设备、家庭和楼宇控制、科学实验室，或商业或工业应用中的热电偶所使用的冷端补偿。
在大多数情况下，精密体温检测应用使用NTC热敏阻值，而非PTC热敏阻值。有一些PTC热敏内阻被用于过流输入保护电路，或用作安全应用的可复位保险丝。PTC热敏内阻的内阻-气温曲线在达到其切换点（或居里点）之前有一个十分小的NTC区域；超过切换点以后，在几摄氏度的范围内，其内阻会大幅降低几个数目级。为此，在过流情况下，PTC热敏内阻在超过切换体温后会形成大量自发热，其内阻会大幅降低，造成输入系统的电压降低，进而避免系统发生破损。PTC热敏内阻的切换点一般在60°C和120°C之间，因而它不适宜用在宽气温范围应用中监控体温检测结果。
本文重点介绍才能检测或监控–80°C至+150°C体温范围的NTC热敏阻值。NTC热敏内阻在25°C时的标称阻值从几欧姆到10MΩ不等。如图1所示，与RTD相比，热敏内阻每摄氏度的内阻变化更为明显。热敏内阻的高灵敏度和高内阻值促使其后端电路比RTD要简单得多，由于热敏内阻不须要任何特殊的接线配置（比如3线或4线）来补偿引线内阻。热敏内阻设计仅使用简单的2线配置。
表1显示了RTD、NTC和PTC热敏内阻的异同点。
表1.热敏阻值与RTD
基于热敏阻值的体温检测挑战
高精度的热敏内阻体温检测须要精密讯号调养、模数转换、线性化和补偿，如图2所示。虽然讯号链看上去简单明了，但其中涉及的几个复杂诱因也会影响整个系统的电路板规格、成本和性能。ADI精密ADC产品组合中有几种集成解决方案，比如-4/-8，它们能为气温系统设计带来多方面用处，应用所需的大部份建立模块都已外置。并且，设计和优化基于热敏内阻的体温检测解决方案涉及到多种挑战。
图2.典型NTC热敏内阻检测讯号链模块
挑战包括：
本文将讨论所有那些挑战，并就怎么解决这种问题和进一步简化这种系统的设计过程提供建议。
热敏内阻选择手册
现今市场上有好多NTC热敏内阻可供选择，为具体应用选择特定的热敏内阻可能相当具有挑战性。请注意，热敏内阻按其标称值列举，即25°C时的标称阻值。因而，10kΩ热敏内阻在25°C时的标称阻值为10kΩ。热敏内阻的标称或基本内阻值从几欧姆到10MΩ不等。标称阻值较低（10kΩ或更低）的热敏内阻，支持的气温范围一般也较低，比如–50°C至+70°C。标称阻值较高的热敏内阻，可支持最高300°C的水温。
热敏内阻器件由金属氧化物制成。热敏内阻有珠状、径向和SMD等方式。珠状热敏内阻采用醇酸树脂镀层或玻璃封装，以提供额外保护。醇酸树脂镀层珠状热敏内阻、径向和SMD热敏内阻适用于最高150°C的水温。玻璃镀层珠状热敏内阻适用于低温检测。所有类型热敏内阻的镀层/封装能够避免腐蚀。一些热敏内阻还具有额外的机壳，以在恶劣环境中提供进一步的保护。与径向/SMD热敏内阻相比，珠状热敏内阻具有更快的响应时间。但是，前者不如后者这么稳健。因而，使用何种热敏内阻取决于最终应用和热敏内阻所处的环境。热敏内阻的常年稳定性取决于制造材料及其封装和结构。诸如，醇酸树脂镀层的NTC热敏内阻每年可能变化0.2°C，而密封的热敏内阻每年仅变化0.02°C。
不同热敏内阻有不同的精度。标准热敏内阻的精度一般为0.5°C至1.5°C。热敏内阻的标称阻值值和β值（25°C至50°C/85°C关系）有一个容差。请注意，热敏内阻的β值取决于制造商。比如，不同制造商生产的10kΩNTC热敏内阻会有不同的β值。对于较高精度的系统，可以使用Omega™44xxx系列等热敏内阻。在0°C至70°C的水温范围内，其精度为0.1°C或0.2°C。因而，所检测的气温范围以及该气温范围内所需的精度决定了一个热敏内阻是否适宜特定应用。请注意，Omega44xxx系列的精度越高，其成本也越高。
因而，使用何种热敏内阻取决于：
线性化：β与-Hart多项式
为了将内阻转换为摄氏度，一般使用β值。晓得两个气温点以及每位气温点对应的内阻，便可确定β值。
其中：
RT1=气温1时的阻值
RT2=气温2时的阻值
T1=气温1(K)
T2=气温2(K)
热敏阻值的数据指南一般会列举两种情况的β值：
用户使用接近设计所用体温范围的β值。大多数热敏内阻数据指南在列举β值的同时，就会列举25°C时的内阻容差和β值的容差。
较高精度的热敏内阻（如Omega44xxx系列）和较高精度的最终解决方案使用-Hart多项式将内阻转换为摄氏度。公式2须要三个常数A、B和C，这种常数同样由传感制造商提供。公式的系数是借助三个气温点生成的，因而所得公式尽可能降低了线性化引入的偏差（线性化导致的偏差一般为0.02°C）。
其中：
A、B、C是从三个气温测试点得出的常数。
R=热敏内阻的电阻，单位为Ω
T=体温，单位为K
图3显示了传感的电压激励。将激励电压作用于热敏内阻，并将相同电压作用于精密内阻；精密内阻用作检测的参考。参考内阻的值必须小于或等于热敏内阻的最高内阻值（取决于系统中检测的最低气温）。选择激励电压的大小时，同样要考虑热敏内阻的最大内阻值，以确保传感和参考内阻两端形成的电流仍然处于电子设备可接受的水平。激励电压源须要一定的裕量或输出顺从性。假如热敏内阻在所检测的最低气温时具有较大内阻，则激励电压值将十分低。为此，低温下热敏内阻两端形成的电流很小。为了优化这种低电平讯号的检测，可以使用可编程增益级。但是，增益须要动态编程，由于来自热敏内阻的讯号电平会随气温发生明显变化。
图3.热敏内阻的电压激励
另一个方案是设置增益但使用动态激励电压。当来自热敏内阻的讯号电平发生变化时，激励电压值也会动态变化电阻的测量教案设计，致使热敏内阻两端形成的电流处于电子设备的额定输入范围内。用户必须确保参考内阻两端形成的电流也处于电子设备可接受的水平。这两种方案都须要高水平的控制，持续监测热敏内阻两端的电流，以确保讯号能被电子设备检测。有没有更简单的方案？我们来瞧瞧电流激励。
图4.热敏内阻的电流激励
当热敏内阻由恒定电流激励时，通过热敏内阻的电压将随着热敏内阻电阻的变化而手动缩放。现今使用精密测量阻值，而不使用参考内阻，其目的是估算流过热敏内阻的电压，这样才能估算出热敏内阻的电阻。因为激励电流也用作ADC基准电流，因而无需增益级。处理器无需监控热敏内阻两端的电流，无需确定该讯号电平能够被电子设备检测，也无需估算要将增益/激励电压调整到哪些值。这是本文中使用的技巧。
热敏内阻电阻范围⁄激励
假如热敏内阻的标称阻值和电阻范围较小，这么电流或电压激励均可使用。在这些情况下，激励电压和增益可以是固定值。电路将如图3所示。这些技巧很有用，由于流过传感和参考内阻的电压是可控的，这在低帧率应用中很有价值。据悉，热敏内阻的自发热也极小。
对标称阻值较低的热敏内阻也可以使用电流激励。并且，用户必须确保通过传感的电压对于传感本身或应用而言任何时侯都不能太大。
当使用标称阻值和气温范围均较大的热敏内阻时，电流激励会使系统更容易实现。较大标称阻值确保标称电压处于合理水平。并且，设计人员须要确保电压在应用支持的整个气温范围内处于可接受的水平。
Σ-ΔADC在基于热敏阻值的应用中的重要作用
当设计热敏内阻检测系统时，Σ-ΔADC能提供多方面优势。首先，Σ-Δ型ADC才能对模拟输入过取样，因而尽可能地降低外部混频，只须要简单的RC混频器。另外，它们支持灵活地选择混频器类型和输出数据速度。在采用市电供电的设计中，外置数字混频可拿来抑制交流电源的干扰。-4/-8等24位元件的峰峰值码率21.7位（最大值），因而它们能提供高帧率。
其他优点包括：
有些Σ-Δ型ADC集成了好多功能，包括：
使用Σ-ΔADC可急剧简化热敏内阻设计，降低BOM，增加系统成本，缩小电路板空间，并减短产品上市时间。
本文将-4/-8用作ADC，它们是集成PGA、嵌入式基准电流源、模拟输入和基准电流缓冲器的低噪音、低电压精密ADC。
热敏内阻电路配置——比率式配置
无论使用激励电压还是激励电流，都建议使用百分比式配置，其中基准电流和传感电流是从同一激励源获得。这意味着激励源的任何变化都不会影响检测的精度。
图5显示，恒定激励电压为热敏内阻和精密内阻RREF供电，RREF上形成的电流就是热敏内阻检测的基准电流。激励电压不须要特别确切，稳定性不须要太高，由于在此配置中，激励电压的任何偏差就会被抵消。激励电压一般比电流激励更受欢迎，缘由是它能出众地控制灵敏度，但是当传感坐落远程地点时，它具有更好的抗扰度。这种类型的偏置技术常用于内阻值较低的RTD或热敏内阻。而且，对于内阻值较大且灵敏度较高的热敏内阻，气温变化所形成的讯号电平会较大，因而应使用电流激励。比如，一个10kΩ热敏内阻在25°C时的电阻为10kΩ，而在−50°C时，NTC热敏阻值的电阻为441.117kΩ。-4/-8提供的50µA最小激励电压可形成的电流为441.117kΩ×50µA=22V，此电流偏低，超出了该应用领域中使用的大多数ADC的工作范围。热敏内阻一般还联接到电子设备或坐落电子设备附近，因而不须要激励电压的抗噪优势。
图5.恒流源配置
图6显示了用于在NTC热敏内阻两端形成电流的恒定激励电流。以分压器电路的方式添加一个串联检查内阻，会限制热敏内阻在最小阻值值时流经其中的电压。在此配置中，在25°C的基本气温时，测量阻值的值必须等于热敏阻值的阻值值，便于将它处于25°C标称水温时的输出电流设置为基准电流的中间值。同样，假如使用25°C时电阻为10kΩ的10kΩ热敏阻值，则必须等于10kΩ。当体温改变时，NTC热敏内阻的电阻也会改变，热敏内阻两端的激励电流的一小部份也发生改变，因而形成与成NTC热敏内阻电阻比列的输出电流。
图6.分压电路配置
假如选择拿来为热敏内阻和/或供电的基准电流与用于检测的ADC基准电流相同，则系统就是百分比式检测配置（图7），任何与激励电流源相关的偏差就会被清除。
图7.热敏内阻百分比式配置检测
请注意，测量阻值（电流激励）或参考内阻（电压激励）的初始容差和甩尾必须很低，由于这两个变量均会影响系统总体精度。
当使用多个热敏内阻时，可以使用单个激励电流。并且，每位热敏内阻必须有自己的精密测量阻值，如图8所示。另一个方案是使用低导通内阻的外部多路复用器或开关，因而支持共享单个精密测量阻值。采用这些配置时，每位热敏内阻在检测时都须要一定的构建时间。
图8.多个热敏内阻的模拟输入配置检测
其实，设计基于热敏内阻的气温系统时须要关注多个方面：传感选择，传感联接，元元件选择的权衡，ADC配置电阻的测量教案设计，以及那些不同变量怎样影响系统整体精度。本系列的下一篇文章将解释怎样优化系统设计和整体系统偏差预算以实现目标性能。
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