基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)的優(yōu)化與評估

正如本系列文章《基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)和電路配置》所討論的，設(shè)計和優(yōu)化基于熱敏電阻的應(yīng)用解決方案涉及到不同挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括上一篇文章中討論過的傳感器選擇和電路配置，其他挑戰(zhàn)有測量優(yōu)化——包括ADC配置和選擇外部元件，同時確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行以及系統(tǒng)優(yōu)化，從而實現(xiàn)目標(biāo)性能并確定與ADC和整個系統(tǒng)相關(guān)的誤差源。

熱敏電阻系統(tǒng)優(yōu)化

通過熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計算器等易于使用的工具，客戶可以輕松配置系統(tǒng)中的熱敏電阻，包括接線和連接圖。該工具以比率式配置設(shè)計具有激勵電壓的熱敏電阻系統(tǒng)。它還允許客戶調(diào)整傳感器類型、被測溫度范圍、線性化和外部元件等設(shè)置，如圖1所示。它確保ADC和熱敏電阻傳感器均在規(guī)格范圍內(nèi)使用。因此，如果客戶選擇了不受支持的選項，該工具會標(biāo)記這是一個錯誤條件。例如，如果客戶選擇的最大溫度值超出特定熱敏電阻型號的工作范圍，它就會顯示錯誤，如圖2所示。遵循推薦的范圍值同樣會確保系統(tǒng)配置符合傳感器和電子器件的工作條件。

該工具使用戶能夠了解不同的誤差源，并且還允許進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。請注意，該工具是圍繞 AD7124-4/AD7124-8設(shè)計的，因此它還決定了可以連接到單個ADC的傳感器數(shù)量。為了了解該工具的重要性，下面我們討論熱敏電阻要考慮的不同設(shè)計因素。

圖 1. 熱敏電阻配置器

圖 2. 越界條件

系統(tǒng)配置（激勵、增益和外部元件）

與RTD類似，熱敏電阻也容易自發(fā)熱，因為當(dāng)電流流過其中時，電阻會消耗功率。因此，設(shè)計人員必須讓熱敏電阻的工作電流保持在盡可能低的水平，以使其功耗不會對測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。首先，設(shè)計人員傾向于選擇更高的激勵電壓值來產(chǎn)生更高的輸出電壓，以便充分利用ADC的輸入范圍。然而，熱敏電阻傳感器具有負(fù)溫度系數(shù)，其電阻會隨著溫度的升高而降低，因此流過它的電流值越大，其功耗越高，從而導(dǎo)致自發(fā)熱。

從好的方面來說，熱敏電阻不需要很高的激勵源值，因為在額定溫度范圍內(nèi)，其較高的靈敏度特性可以產(chǎn)生從毫伏到伏特的輸出電壓。所以，使用ADC基準(zhǔn)電壓值之類的激勵電壓就足夠了，并且它支持比率式配置。通過將PGA增益設(shè)置為1，該技術(shù)還能確保熱敏電阻整個輸出電壓范圍或ADC模擬輸入端的電壓始終處于ADC工作輸入范圍內(nèi)。該工具使用AD7124-4/AD7124-8提供的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓。當(dāng)使用1倍增益時，PGA也關(guān)斷，從而減少總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8還集成了模擬輸入緩沖器，允許在外部使用不限大小的電阻和/或電容值，因此它們非常適合直接連接到外部電阻型傳感器（如熱敏電阻），或連接電磁兼容(EMC)濾波，而不會增加誤差。但是，若在增益為1時使用ADC且使能模擬輸入緩沖器，則有必要確保提供正確運(yùn)行所需的裕量。該工具還允許設(shè)計人員平衡外部元件的選擇，包括外部裕量電阻的容許范圍、建議的檢測電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供常用熱敏電阻類型清單，并允許設(shè)計人員輸入任何類型NTC熱敏電阻的標(biāo)稱值和beta(β)或Steinhart-Hart常數(shù)。傳感器的精度、外部元件及其對系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)，以及傳感器所用線性化技術(shù)的影響，將在后面討論。

濾波和功耗考慮

Σ-Δ型ADC使用數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)在采樣頻率和采樣頻率倍數(shù)處提供0 dB衰減。這意味著濾波器響應(yīng)在采樣頻率周圍被反射，因此模擬域中需要一個抗混疊濾波器。Σ-Δ型ADC本身會對模擬輸入信號過采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計得以簡化，一個簡單的（單極點）RC濾波器就夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8只要求每個模擬輸入串聯(lián)一個1 kΩ電阻，AINP到AINM之間使用一個0.1 μF電容，以及每個模擬輸入引腳到AVSS之間使用一個0.01 μF電容。

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用或過程控制中，強(qiáng)大的穩(wěn)健性是首要任務(wù)之一。系統(tǒng)可能會遇到來自其相鄰元器件或環(huán)境的噪聲、瞬變或其他干擾。出于EMC目的，模擬輸入端通常使用較大的R和C值。但請注意，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在增益為1的無緩沖模式下運(yùn)行時，輸入直接進(jìn)入調(diào)制器的采樣電容，因此較大RC值可能引起增益誤差，因為在兩個采樣時刻之間，ADC沒有足夠的時間完成建立。對模擬輸入進(jìn)行緩沖可防止這些誤差。

來自交流電源的干擾也會影響測量結(jié)果。因此，當(dāng)器件由交流電源供電時，50 Hz/60 Hz抑制也是系統(tǒng)要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄帶Σ-Δ型ADC的另一個優(yōu)勢是它提供靈活的數(shù)字濾波選項，可以將陷波頻率設(shè)置為50 Hz和/或60 Hz。

所選濾波器類型以及所設(shè)置的輸出數(shù)據(jù)速率會影響建立時間及其噪聲性能。該器件還提供不同的功耗模式，用戶可以調(diào)整ADC以獲得最優(yōu)功耗、速度或性能。系統(tǒng)的電流消耗或功耗預(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)用。如果系統(tǒng)需要較高輸出數(shù)據(jù)速率和較好的噪聲性能，可以將器件配置為全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要限制功耗，則器件可以在中等或低功耗模式下運(yùn)行。

除了精度或性能之外，時序也是一個因素。在大多數(shù)應(yīng)用中，為了執(zhí)行所有測量，需要滿足特定時間要求。如果使能多個通道（即使用多個傳感器），設(shè)計人員需要考慮通過數(shù)字濾波器的延遲。在多路復(fù)用ADC中，當(dāng)使能多個通道時，每次切換通道都需要一個建立時間。因此，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率。在這種情況下，可使用后置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同時抑制，從而提高吞吐速率。所有濾波器選項和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集可以通過 熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計算器進(jìn)行測試。這將產(chǎn)生期望噪聲性能，并將饋送到下一節(jié)將要討論的系統(tǒng)誤差計算中。請注意，輸出數(shù)據(jù)速率/FS值/吞吐速率的全部選擇可通過 Virtual Eval在線工具獲得。Virtual Eval顯示了不同場景的時序，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器，都可以使用它來評估ADC的時序性能。

誤差預(yù)算計算

如前所述，熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計算器允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最優(yōu)性能。圖3所示的誤差預(yù)算計算器可幫助設(shè)計人員了解與ADC相關(guān)的誤差，以及來自系統(tǒng)配置的誤差，無論是否進(jìn)行內(nèi)部或系統(tǒng)校準(zhǔn)。系統(tǒng)錯誤餅圖指示系統(tǒng)的哪個部分對系統(tǒng)總誤差的貢獻(xiàn)最大。因此，客戶可以修改ADC或系統(tǒng)配置以實現(xiàn)最優(yōu)性能。

如圖3所示，ADC引起的誤差不是系統(tǒng)總誤差的重要貢獻(xiàn)因素。在全溫度范圍內(nèi)工作時，外部元件及其溫度系數(shù)或溫度漂移規(guī)格通常是整個系統(tǒng)的主要誤差因素。

例如，如果我們在工具中將檢測電阻的溫度系數(shù)從10 ppm/°C改為25 ppm/°C，您會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)總誤差顯著增加。因此，必須選擇具有較好初始精度和較低溫度系數(shù)的檢測電阻，以使任何可能的溫度漂移誤差最小。

AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準(zhǔn)模式，使用校準(zhǔn)可進(jìn)一步減少測量誤差。建議在上電或軟件初始化時進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，以消除標(biāo)稱溫度時的ADC增益和失調(diào)誤差。請注意，該工具使用的增益設(shè)置為1。AD7124-4/AD7124-8出廠校準(zhǔn)增益為1，所得增益系數(shù)是器件的默認(rèn)增益系數(shù)。因此，該器件在增益為1時不支持進(jìn)一步的內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)。注意，在標(biāo)稱溫度進(jìn)行的內(nèi)部校準(zhǔn)只能消除AD7124-4/AD7124-8的增益和失調(diào)誤差，而不能消除外部電路引起的增益和失調(diào)誤差以及任何漂移誤差。執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可消除外部誤差。在不同溫度點執(zhí)行校準(zhǔn)也可改善漂移性能。但是，這會增加成本和工作量，并且可能不適合某些應(yīng)用。

圖 3. 熱敏電阻誤差預(yù)算計算器

故障檢測

對于惡劣環(huán)境或安全很重要的應(yīng)用，診斷特性越來越重要，甚至必不可少。即使對于非安全設(shè)計，診斷也能提高穩(wěn)健性，確保設(shè)計的所有模塊都正常運(yùn)行，并且處理器僅接收和處理有效數(shù)據(jù)。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實現(xiàn)診斷的需求，使得解決方案尺寸更小、時間更短且成本更低。診斷包括：

• 檢查模擬引腳上的電壓電平，確保其在額定工作范圍內(nèi)

• 基準(zhǔn)電壓檢查

• 串行外設(shè)接口(SPI)總線的循環(huán)冗余校驗(CRC)

• 存儲器映射的CRC

• 信號鏈檢查

這些診斷使得解決方案更強(qiáng)大。

熱敏電阻系統(tǒng)評估

對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行概念化并了解預(yù)期系統(tǒng)性能之后，設(shè)計師的下一步是制作原型并驗證設(shè)計的性能。CN-0545 是Circuits from the Lab?參考設(shè)計，它利用 EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8 評估板及其評估軟件提供0.1°C精度的熱敏電阻的測量數(shù)據(jù)。CN-0545中的電路使用一個10 kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器，其額定測量范圍為–50°C至+150°C，0°C至+70°C之間的精度為±0.1°C，更寬溫度范圍內(nèi)的精度為±1°C。

圖4顯示了CN-0545的測量結(jié)果。該測量數(shù)據(jù)是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得的，該評估板包括熱敏電阻演示模式，可測量熱敏電阻的電阻并使用傳感器的Steinhart-Hart常數(shù)計算等效溫度(°C)。該圖顯示了實際性能結(jié)果。如果將其與誤差預(yù)算計算器進(jìn)行比較，實際結(jié)果可能比該工具提供的估計值要好。這種差異是由于該工具使用了所有參數(shù)的最大值，因此它提供的是電路的最差情況分析。在實踐中，傳感器漂移、初始精度以及系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備和元件的溫度漂移并不總是處于額定最大值。

圖 4. 熱敏電阻溫度精度測量，后置濾波器，低功耗模式，25 SPS

提供這種經(jīng)過驗證的靈活參考電路板對系統(tǒng)設(shè)計人員很有價值，因為它能縮短設(shè)計周期并提供良好的電路技術(shù)。除了硬件，軟件還支持針對每個熱敏電阻傳感器的不同系統(tǒng)優(yōu)化和校準(zhǔn)技術(shù)，以滿足市場對易于使用、高精度、精密、可靠信號鏈解決方案的需求。

為設(shè)計人員提供工具和硬件演示模式電路可以簡化設(shè)計過程，但系統(tǒng)設(shè)計人員有不同的測量處理辦法，并且可能使用不同的控制器進(jìn)行軟件處理。為了進(jìn)一步簡化開發(fā)過程，可以使用一個簡單的固件應(yīng)用程序 AD7124溫度測量演示示例來生成自定義代碼，它支持選擇控制器板、軟件平臺、器件配置和測量傳感器（如熱敏電阻）。這個開源Mbed平臺支持150多種經(jīng)過修改或未經(jīng)修改的控制器板。因此，它支持快速原型設(shè)計，開發(fā)工作將更加快捷。

結(jié)論

本文已說明，設(shè)計基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)是一個具挑戰(zhàn)性的多步驟過程。為使系統(tǒng)設(shè)計人員的設(shè)計之旅更輕松，可以使用熱敏電阻配置器、誤差預(yù)算計算器、Virtual Eval、評估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545來應(yīng)對不同的挑戰(zhàn)，例如連接問題和總誤差預(yù)算，將用戶的設(shè)計體驗提升到更高層次。

使用高集成度、低帶寬Σ-Δ型ADC可進(jìn)一步減少設(shè)計工作，因為它們提供了激勵、調(diào)理、測量傳感器所需的構(gòu)建模塊，同時消除了50 Hz/60 Hz抑制等問題。

這種集成度加上完整的系統(tǒng)資料或生態(tài)系統(tǒng)，將能簡化整體系統(tǒng)設(shè)計，降低成本，縮短從概念到原型的設(shè)計周期。