作為支持模擬和數(shù)字溫度傳感器的高級應用/系統(tǒng)工程師,在工作中經(jīng)常被問到有關溫度傳感器應用的問題。其中有很多是關于模數(shù)轉換器(ADC)的,由于ADC在系統(tǒng)應用中的重要性,我花費很多時間在解釋ADC對系統(tǒng)精度有何意義,以及如何理解并實現(xiàn)所選傳感器的更大系統(tǒng)精度上。
溫度傳感器用于大功率開關電源設計中,需要監(jiān)測功率晶體管和散熱器。電池充電系統(tǒng)需要溫度傳感器監(jiān)測電池溫度,以便安全充電并優(yōu)化電池壽命,家庭恒溫器則需要溫度傳感器監(jiān)測房間溫度,以相應控制供暖,通風和空調(diào)系統(tǒng)。
這些應用中,常用的溫度測量方法是使用負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。NTC是電阻器件,其電阻隨著溫度的改變而改變。為了滿足當今溫度傳感器需求,一種更新、更高效、更準確的方法是使用硅基熱敏電阻,它是一種正溫度系數(shù)(PTC)器件。并且PTC不是電阻器件,而是電流模式器件;在電流模式下工作的硅提供基于溫度的線性輸出電壓。
無論您使用NTC還是PTC,您的設計都需要一個ADC和一個MCU來測量熱敏電阻的電壓輸出。本文的重點是將硅基熱敏電阻與MCU結合使用帶來的許多優(yōu)勢。我們將探討NTC和PTC熱敏電阻的優(yōu)缺點。
選擇微控制器
MCU選型具有諸多選擇,但很可能在選擇溫度傳感器時這個組件已經(jīng)被確定。你可以關注溫度傳感的ADC外設的具體情況。
選擇ADC
ADC有很多不同的類型。最受歡迎的兩種為逐次逼近寄存器(SAR)和 Delta-Sigma模擬數(shù)字轉換器。Delta-Sigma提供高分辨率(8-32位分辨率),但采樣速度較慢。SAR類型最古老、最常見,分辨率為8-18位,采樣速度更快。對于溫度傳感,任意一種ADC都是不錯的選擇。
ADC分辨率
ADC的位數(shù)將決定分辨率而非精度。分辨率是ADC用來測量施加到ADC管腳的模擬電壓的步長。分辨率的位數(shù)以及參考電壓(VREF)將設置ADC的步長值。
比如,一個10位ADC將具有2^10=1024位,而3.3VDC的VREF將為每個ADC位提供3.3/1024=0.003226VDC的分辨率。一個16位ADC將具有65536位的總分辨率,每位分辨率為0.000005035VDC。ADC位數(shù)越多將意味著更高的測量分辨率。
請勿將精度與分辨率混淆。分辨率是指能夠看到被測電路值的變化。用于溫度測量的典型ADC的分辨率為12-16位。您會發(fā)現(xiàn)8位或10位ADC不能提供足夠的分辨率來查看熱敏電阻的精度,且具有較大的溫度步長,通常不可接受。
過采樣以獲得更高分辨率
過采樣是一種平均測量值的方法,可提高分辨率和信噪比。過采樣的工作原理是將多個帶有噪聲的溫度測量值相加,然后進行平均,得到一個更精確的數(shù)值。每超過8個過采樣,分辨率將增加2位。16次過采樣會將10位ADC的總分辨率提高到14位。如果噪聲高于Nyquist頻率,則可在應用程序中使用任意數(shù)量的樣本(N#份樣本)來獲得設計所需的分辨率。Nyquist速率是您期望獲得實際溫度讀數(shù)的頻率。樣本總數(shù)必須比實際所需溫度結果快至少N#倍。
在使用過采樣方法時,在輸入信號中添加一些抖動噪聲可改善分辨率誤差。許多實際應用中,噪聲小幅增加可大幅提高測量分辨率。在實踐中,將抖動噪聲置于測量感興趣的頻率范圍之外,隨后可以在數(shù)字域中濾除這些噪聲,從而在感興趣的頻率范圍內(nèi)進行最終的測量,同時具有更高的分辨率和更低的噪聲。
提供抖動噪聲的更佳方法是將熱敏電阻分壓器的Vcc和VREF.分開(將MCU的內(nèi)部VREF用于ADC)。請勿在電阻分壓器電壓檢測線上放置電容器。許多情況下,電路噪聲將足以使電阻分壓器的電壓抖動,以求平均值。抖動噪聲必須等于4位或更多位振幅。10位具有3.3VDC VREF的ADC將擁有0.0032VDC的電壓步長。抖動噪聲必須至少是預期溫度測量值上下的4位分辨率。10位ADC的最小抖動噪聲必須高于ADC的最低有效位(LSB)+/- 0.0128VDC(0.0256VDC p-p)或更高,以提供必要的電平,從而通過求平均值適當提高ADC的位分辨率。
在ADC讀取一個位值并計算溫度后,您可將該值存儲在先進先出(FIFO)軟件陣列中。當新值輸入陣列時,最舊的樣本將被丟棄,所有其他樣本都將移至下一個對應的單元,從而創(chuàng)建一個FIFO。該求平均值方法可應用于溫度轉換過程中使用的任何值,例如溫度、ADC位值、分壓器電壓,甚至計算得出的電阻。所有這些因素平均下來都將很好地發(fā)揮作用。
定點或浮點
微控制器可在內(nèi)部具有浮點單元硬件,也可具有無需硬件即可進行浮點數(shù)學運算的固件庫。32位非浮點器件的快速示例是Cortex “M4”器件,而帶有浮點的版本將標記為“M4F”。與使用定點部件和使用浮點固件庫相比,MCU內(nèi)部具有浮點硬件使計算速度更快、功耗更低。
具有固定點意味著只能顯示大于零的整數(shù)。例如:如果1 + 1,則得到2,然后取平均值1。如果2 + 1,則得到3,然后取平均值1.5。在定點計算中,結果將為“ 1”, 小數(shù)點以下的數(shù)字都不能用1。用固定點測量溫度時,將只能看到和參考整數(shù)的溫度,即22°C,23°C,24°C。浮點可顯示更高分辨率的溫度,即22.1°C或22.15°C。使用浮點數(shù)既可更輕松計算溫度,也可使用帶有插值的查找表。您可使用具有單位數(shù)分辨率的定點查找表,分辨率為一位數(shù),這對于許多應用程序是可接受的。
選擇熱敏電阻
熱敏電阻有兩種類型,基本的NTC和PTC熱敏電阻。通常會將它們混為一談,被認為是同一類型的器件。這并不正確。NTC是一種隨溫度變化的電阻裝置。如圖1的分壓器電路圖中所示,在熱敏電阻頂部放置一個電阻并施加穩(wěn)定的電壓。溫度變化時,熱敏電阻中的電阻也會發(fā)生變化,從而改變頂部電阻兩端的壓降。分壓電阻器中心的輸出為模擬電壓,將由ADC測量。
圖1: 分壓電路實現(xiàn)
熱敏電阻
PTC是一種基于電流工作的硅器件。隨著溫度變化,傳導電流也隨之發(fā)生變化。大多數(shù)PTC的工作都使用恒流源進行,如圖2所示。電流改變時,由電流源提供的電壓改變。
圖2: 恒流電路實現(xiàn)
熱敏電阻
ADC測量電壓的變化,并將測量值轉換為溫度。
你也可以使用PTC,就像NTC熱敏電阻與RBias電阻一樣,見圖1。頂部電阻將如同電流源一樣工作。與相同條件下的NTC相比,PTC通常對溫度變化具有更好的熱敏性,且對較小的變化更敏感。PTC的另一個優(yōu)點是:它們在Vtemp 連接處具有線性輸出,如下圖3所示,因此更易于校準。這也使零件在整個溫度范圍內(nèi)都更加精確。
圖3: PTC熱敏電阻線性電阻斜率
NTC具有類似于下面圖4所示的非線性輸出,且可能需要在溫度室內(nèi)進行三點校準,以允許斜率補償和偏移誤差調(diào)整,從而在整個溫度范圍內(nèi)保持精確。NTC的非線性斜率無法在未校準的情況下在整個溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的溫度信息。
圖4: NTC熱敏電阻非線性電阻斜率
在正常條件下,NTC可以使用具有適當溫度分辨率的12位ADC,尤其是在較冷溫度下,但是PTC通常需要14位ADC才能獲得足夠的分辨率,以查看溫度步長,從而顯示出 PTC的實際精度。對于所有溫度范圍內(nèi)的PTC都是如此,但NTC將需要一個14位ADC來測量60°C以上的較高溫度。
在PTC頂部增加一個RBias電阻會減小PTC的動態(tài)范圍。較低的動態(tài)范圍使ADC的電壓反饋降低,這就是PTC需要14位ADC分辨率的原因。但是,由于PTC的線性斜率,較低的動態(tài)范圍將導致較大的溫度誤差測量。室溫下的單點偏移將在整個溫度范圍內(nèi)校準PTC。對于基于PTC的系統(tǒng),在整個溫度范圍內(nèi),這將使溫度測量比典型的(同等指定的)基于NTC的系統(tǒng)更加精確。
比率度
比率度是描述捕獲的ADC值的術語。該值可與輸入和/或電源電壓的變化成比例地變化。當提供給溫度感測電路的分壓器的VCC電源也提供用于VREF的電壓時(如下面圖5所示),則稱其為比率度。VCC的任何變化都將在分壓器和VREF處同等同時變化,從而影響ADC的測量值,讓這些源之間的潛在差分誤差最小。
比率度方法可以增加系統(tǒng)中的總精度。在實現(xiàn)不使用平均或過采樣的基于熱敏電阻的溫度傳感器時,為分壓器和ADC的VREF使用相同的電源非常重要。
熱敏電阻
圖5:比率度,由同一電源供電的電阻分壓器和VREF供電
濾波
在大多數(shù)情況下,無需在分壓器上使用電容器,在使用單端ADC的比率法時也不應使用。對于差分的VREF/ADC輸入,您通常會在ADC輸入和VREF輸入之間放置一個電容。使用比率度方法時,對Vtemp 進行濾波將改變感測線上的電壓響應,但不會改變ADC VREF 的電壓響應。因此,增加一個濾波器會增加輸入到電阻分壓器的VREF 和VCC之間的差值,并增加誤差。
不使用比率度方法時,可以使用在分壓器處增加電容來濾除電壓,以消除噪聲和電壓變化,否則會在測量中產(chǎn)生誤差。添加一個電容器來濾除VREF也是一個不錯的方法。有時,VREF 是內(nèi)部的,無需額外濾波。如果在Vtemp線上添加電容器,則會增加對溫度變化的響應時間。如果測得的溫度響應緩慢且無需立即采取措施,則濾波器可能會有所幫助。 另一種濾波器解決方案是在電阻分壓器頂部的VCC處增加一個電容器,以濾除系統(tǒng)中的噪聲以進行溫度測量。如果使用比率度,則在VREF 上添加相同的電容器,以使兩個電源的電壓變化保持一致。
緩沖器和放大器
放大器可用于增加熱敏電阻的動態(tài)范圍。所有運算放大器都有潛在的失調(diào)誤差和增益誤差。選擇對精度和失調(diào)影響最小的運算放大器需要付出更多努力。校正失調(diào)和增益誤差所需的校準可能比升級到更高質(zhì)量的ADC的成本更高。 一些MCU具有內(nèi)部運算放大器。許多DS ADC具有集成的PGA,正是為了這個目的(緩沖/增益)。一些SAR ADC也有這些功能。
有時會使用單位增益緩沖器來防止下垂或加載到電阻分壓器電路。當ADC對熱敏電阻分壓器電路進行采樣時,來自ADC的浪涌電容會導致測量時幾毫伏的電壓下降。如果在ADC中具有足夠的分辨率,則會在溫度測量中觀察到這是一個錯誤。如果直接在ADC管腳上增加一個等于ADC電容10倍的電容器,則無需使用緩沖器就可以補償ADC電容的浪涌電流。典型的ADC電容為3pF-20pF。最好在ADC管腳附近添加一個30pF – 200pF的電容,這是一個很好的解決方案。它將對熱敏電阻的測量或熱響應的影響降至最低。
漂移
由于PTC熱敏電阻使用硅作為其基礎材料且具有線性斜率,因此,流經(jīng)PTC的電流隨時間和溫度變化具有非常低的漂移。另一方面,NTC通常對所用材料的電阻具有溫度依賴性,且在高溫下會隨時間變化。NTC具有一個beta值,可定義整個溫度范圍內(nèi)的TCR / PPM,且PPM隨時間變化。
從ADC導出溫度
NTC熱敏電阻溫度是基于器件的電阻。許多設計人員使用查找表尋找特定溫度下的電阻。然后通過插值計算每個1°C溫度步長之間的實際溫度。為了更大程度地減少查找表的大小,您可使用5°C的查找表,但是內(nèi)插誤差會高一些。對于大多數(shù)設計人員而言,0.5°C的精度已足夠,因此帶有插值的5°C查找表就已足夠。
PTC基于流經(jīng)零件的實際電流,通常由公式定義。PTC基于三階或四階多項式。四階多項式的精度曲線擬合(R2)為1.0000%至0.9999%,以提供溫度信息。Steinhart Hart方程可由NTC和PTC使用,并采納使用自然對數(shù)來計算溫度的三階多項式。Steinhart Hart方程式已為更多設計人員所認可,因為多年前其最初為NTC創(chuàng)建。如今,大多數(shù)高精度PTC都依賴于四階多項式。
校準
所有NTC和PTC都需要校準才能精確。可購買一些具有更嚴格公差和Beta值的NTC。這似乎可以消除校準。但是,熱敏電阻不是系統(tǒng)中唯一的組件。頂部電阻具有容差,且在整個溫度范圍內(nèi)具有PPM,VCC在電壓以及溫度范圍內(nèi)存在電壓誤差。系統(tǒng)總精度可能超出預期范圍,且精度可能并不能達到期望。
NTC通常需要進行三點校準以調(diào)整斜率誤差,且需要進行偏移以校正總偏移誤差。 因此,這需要溫度箱和時間來收集整個溫度的誤差。首先,由于硅的工藝偏差,PTC將具有較大的偏移誤差,但是可通過單個偏移調(diào)整在整個溫度范圍內(nèi)對其進行校正。大多數(shù)情況下,在組裝的最終編程過程中,偏移調(diào)整可于室溫下進行,且無需溫度箱或時間來進行校準。
結論
NTC和PTC因零件數(shù)量少、成本低都易于實現(xiàn)。但是,NTC可能將需要更昂貴的校準方法,且隨時間推移具有更高的漂移。
PTC是進行溫度測量的新方法。一個簡易的失調(diào)校正是整個溫度范圍內(nèi)所需的整個校準。PTC的精度非常精確,且溫度測量值隨時間和溫度變化具有很小的漂移。
需要明確的是,NTC和PTC不是同一類型的組件,且很難僅通過閱讀數(shù)據(jù)表進行直接比較。PTC不是電阻組件,大多數(shù)供應商建議僅使用恒流源來驅(qū)動它們。德州儀器(TI)創(chuàng)建了一個設計工具,以向設計人員展示如何在電阻分壓器電路中使用其TMP61 系列 PTC。該工具包括一個計算阻力表,供那些習慣使用查找表的人使用。使用新的設計考慮因素和正確的計算方法,使得PTC比NTC具有更高的精度和穩(wěn)定性。
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