热敏电阻及其恒流源供电

热敏电阻及其恒流源供电

最近看到一个项目，用到了PT1000的热敏电阻，说是热敏电阻需要用恒流源供电，对此我表示没什么概念。我想，我该补补课了。

说起PT1000，其实还有一种是PT100的。二者应该有一些区别，工业上PT1000用的更多。说起它们的名字，PT1000指的是热敏电阻在0℃时阻值为1000Ω，而PT100则是阻值为100Ω。

热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，所以只要知道其阻值，就能知道它对应的温度。所以怎么精确的测量阻值是一个问题。施加电压测电流，还是施加电流测电压?好像都行，但是线路存在阻抗，所以测量电压时存在分压作用会导致测量结果不准确。而施加电流好像没什么问题。所以这就是恒流源供电的缘由了。恒流源不易受干扰，传输距离远，一般采用4~20mA恒流源。同时考虑了2mA用于断路检测，20mA及以下开关信号不会产生电火花。当然，现实中，恒流源也不是理想的，所以还会由于分压作用，信号产生衰减(图7)。

可以用三极管搭建一个简易的恒流源电路(图一)，然后通过运放进行处理，第一级运放输出仅与恒流源的电流和热敏电阻的阻值以及一对电阻的比值有关。而第二级放大则将电压值调整到适合ADC芯片采集的范围(减去4V)。不过，三极管恒流源本身有误差，热稳定性也不好，LM358为同样运放，它的温漂，失调和噪声也会对结果产生影响，另外4V电源不容易产生，电压不常见。不过用来实验应该也可以。

还要注意此时的热敏电阻采用的是四线制接线，两根线用来供电，两根线用来测量，测量的电路输入阻抗可以很大，从而不会产生分流，从而提高测量精度。

提到精密测量电阻，不难想到惠斯通电桥(图二)。惠斯通电桥可以通过测量b，d两点的电压来得到Rx，也可以通过可编程电阻模块调节bd两端的电压为0，得到Rx。同时，将R1和R3交换，再测量一次，测得的两次结果相乘，那么结果就只与可编程电阻R2有关了。这显著提高测量结果。可编程电阻可以自己设计一个模块或者使用数字电位器，不过数字电位器精度较差。惠斯通电桥需要注意的地方是已知电阻阻值精度要高，线路要对称，以减小误差。

一般来说惠斯通电桥的输出可以直接接放大器采集电压。为提高精度，运放采用仪表放大器，如AD8228，AD8226，或者AD623也可以。

其实，我们现在已经发现，像这样的温度传感器都是恒流源供电。而且，恒流源供电的电路一般分为二线制环路供电，三线制供电，四线制供电等。

首先说说二线制环路供电(图三)。将0~100mV转换为4~20mA的信号给负载。假设环路地是0V，那么输入不同的电压，将会产生不同的恒定电流。不过，我感觉这不是完全的二线制，反而像三线制，而且转换成4~20mA的结果也有问题。二线制应类似图一的方法。不过，这也是一种思路。

关于环路供电的一个典型应用就是使用ad421产生4~20mA恒流(图四，图5)。环路供电的特点是供电地为浮地。浮地其实就是芯片供电的参考地相对于电源地非0电位。就类似于万用表，如果负表笔接地，则此时万用表与系统共地，如果负表笔接任何非0的参考点，则为浮地。此时测得的为表笔间的电压差。

关于三线制则是信号地与电源地共地(图6)。在高边产生一个比较小的恒流，在低边产生一个比较大的恒流。对比环路，就是系统地和电源地不是一个地，而把系统地看成浮动的或电源地看成浮动的。

其实涉及这方面的知识，就不外乎VI变换和IV变换了。简单的运放构成的VI变换又称跨导放大器，它的特点是浮地。于是出现了改进型的豪兰德电流源，但是涉及到输入阻抗有限，输出反相的特点，于是又改进成了两个运放的形式。

而对应的IV变换又称互阻放大器。IV变换可以实现在线电流检测。这涉及到了运放虚短，虚断的理解。虚短可以理解为运放在线性区工作时，同相输入端与反相输入端等电位(不大于mV级压差)，而运放一般工作在深度负反馈的情况下，此时也是一般工作在线性区。这就是运放特定条件下等电位，当然，非线性区就不是等电位的。而虚断指由于输入阻抗很大，输入同相和反相端的电流很小，uA级或更小，所以可以看成虚断。

知识越来越多，不说说，就更晕了。

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