基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)的優(yōu)化和評估

作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

介紹

如本系列文章第1部分所述，設(shè)計和優(yōu)化基于熱敏電阻的應(yīng)用解決方案存在不同的挑戰(zhàn)。這些是傳感器選擇和電路配置，已在上一篇文章中討論過。其他挑戰(zhàn)包括測量優(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)化以實(shí)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

使用熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計算器等易于使用的工具，客戶可以輕松地在其系統(tǒng)中配置熱敏電阻，包括接線和接線圖。該工具以比例配置設(shè)計具有激勵電壓的熱敏電阻系統(tǒng)。它還允許客戶調(diào)整設(shè)置，如傳感器類型、被測溫度范圍、線性化和外部元件，如圖1所示。它確保ADC和熱敏電阻傳感器的使用符合規(guī)格。因此，如果客戶選擇不受支持的選項，該工具會標(biāo)記這是錯誤條件。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，則會顯示如圖2所示的錯誤。遵循建議的范圍值將再次確保系統(tǒng)配置滿足傳感器和電子操作條件。

該工具使用戶能夠了解不同的錯誤源，并且還允許設(shè)計優(yōu)化。請注意，該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計，因此它還決定了可以連接到單個ADC的傳感器數(shù)量。為了理解該工具的重要性，讓我們來看看熱敏電阻中使用的不同設(shè)計考慮因素。

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，熱敏電阻也容易受到自熱的影響，因為當(dāng)電流流過時，電阻會耗散功率。因此，設(shè)計人員必須將熱敏電阻的工作電流保持在盡可能低的水平，使其功耗不會對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。首先，設(shè)計人員傾向于選擇較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。但是，由于熱敏電阻傳感器具有負(fù)溫度系數(shù)，因此其電阻會隨著溫度的升高而減小，因此流過它的高電流值將導(dǎo)致更高的功耗，從而導(dǎo)致自發(fā)熱。

從好的方面來說，熱敏電阻不需要更高的激勵源值，因為其更高的靈敏度特性可以在指定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生從毫伏到伏的輸出電壓。因此，使用激勵電壓如ADC基準(zhǔn)電壓值就足夠了，并且允許比率配置。通過將PGA增益設(shè)置為1，該技術(shù)還可以確保整個熱敏電阻輸出電壓范圍或ADC模擬輸入端的電壓始終在ADC工作輸入范圍內(nèi)。該工具使用AD7124-4/AD7124-8上的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源。當(dāng)使用增益1時，PGA也會關(guān)斷，從而降低總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8還集成了模擬輸入緩沖器，允許在外部使用無限的電阻和/或電容值，非常適合直接連接到外部電阻型傳感器（如熱敏電阻）或連接電磁能力（EMC）濾波，而不會增加任何誤差。但是，當(dāng)ADC增益為1且使能模擬輸入緩沖器時，必須確保滿足正確操作所需的裕量。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允許范圍和推薦的檢測電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供了常用熱敏電阻類型的列表，并允許設(shè)計人員輸入任何類型的NTC熱敏電阻的標(biāo)稱值和β（β）或斯坦哈特常數(shù)。傳感器、外部元件的精度及其對系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)以及傳感器使用的線性化技術(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的倍數(shù)處提供0 dB的衰減。這意味著濾波器響應(yīng)在采樣頻率附近反射，因此需要在模擬域中使用抗混疊濾波器。由于Σ-Δ型ADC固有地對模擬輸入信號進(jìn)行過采樣，因此簡化了抗混疊濾波器的設(shè)計，因此一個簡單的（單極點(diǎn)）RC濾波器就足夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8只需要一個與每個模擬輸入串聯(lián)的1 kΩ電阻、從AINP到AINM的0.1 μF電容，以及從每個模擬輸入引腳到AVSS的0.01 μF。

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用或過程控制中，額外的魯棒性是重中之重。系統(tǒng)可能會遇到來自其相鄰組件或環(huán)境的噪聲、瞬變或其他干擾。出于EMC目的，通常在模擬輸入上使用較大的R和C值。但是，請注意，當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在增益為1的無緩沖模式下時，輸入直接進(jìn)入調(diào)制器的采樣電容，因此較大的RC值會導(dǎo)致增益誤差，因為ADC沒有足夠的時間在采樣時刻之間建立。緩沖模擬輸入可防止這些錯誤。

來自主電源的干擾也會影響測量結(jié)果。因此，當(dāng)器件由電源供電時，50 Hz/60 Hz抑制也是系統(tǒng)要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄帶寬Σ-Δ型ADC的另一個優(yōu)點(diǎn)是，它提供靈活的數(shù)字濾波選項，可將陷波設(shè)置為50 Hz和/或60 Hz。

所選濾波器類型以及編程輸出數(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率模式，允許用戶調(diào)整ADC以獲得最佳功率、速度或性能。系統(tǒng)的電流消耗或功率預(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)用。如果系統(tǒng)需要更高的輸出數(shù)據(jù)速率和更好的噪聲性能，則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有限的功耗，則設(shè)備可以在中功率或低功耗模式下運(yùn)行。

除了準(zhǔn)確性或性能之外，時間也是一個因素。在大多數(shù)應(yīng)用中，需要滿足特定的時間才能執(zhí)行所有測量。如果啟用了多個通道（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，每次切換通道時都需要一個建立時間;因此，選擇建立時間較長的濾波器類型（即sinc4或sinc3）將降低整體吞吐率。在這種情況下，后置濾波器或FIR濾波器有助于在較短的建立時間內(nèi)提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制，從而提高吞吐速率。所有濾波器選項和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集都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)生預(yù)期的噪聲性能，并將提供給下一節(jié)將討論的系統(tǒng)誤差計算。請注意，虛擬評估在線工具上提供了完整的輸出數(shù)據(jù)速率/FS值/吞吐速率選擇。虛擬評估顯示了不同場景的時序，可用于評估ADC的時序性能，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器。

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)配置以獲得最佳性能。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，以及系統(tǒng)配置中的誤差，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)的哪個部分是整個系統(tǒng)錯誤的最大貢獻(xiàn)者。因此，客戶可以修改ADC或系統(tǒng)配置以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

如圖3所示，ADC引起的誤差并不是導(dǎo)致整體系統(tǒng)誤差的重要誤差因素。在整個溫度范圍內(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)的主要誤差貢獻(xiàn)因素。

例如，如果我們在工具中將檢測電阻溫度系數(shù)從10 ppm/°C更改為25 ppm/°C，您將看到整體系統(tǒng)誤差將顯著增加。因此，選擇具有更好初始精度和更低溫度系數(shù)的檢測電阻非常重要，以最大程度地減少任何可能的溫度漂移誤差。

AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準(zhǔn)模式，可用于進(jìn)一步降低測量誤差。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)稱溫度下ADC的增益和失調(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)為器件的默認(rèn)增益系數(shù)。因此，該器件不支持增益為1的進(jìn)一步內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)。請注意，標(biāo)稱溫度下的內(nèi)部校準(zhǔn)僅消除AD7124-4/AD7124-8的增益和失調(diào)誤差，而不會消除增益和失調(diào)誤差以及外部電路產(chǎn)生的任何漂移誤差。執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可以消除外部誤差。在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)也可以提高漂移性能。但是，這將增加額外的成本和工作量，并且可能不適合某些應(yīng)用程序。

圖3.熱敏電阻誤差預(yù)算計算器。

故障檢測

對于任何惡劣環(huán)境或安全優(yōu)先的應(yīng)用，診斷功能變得越來越重要，甚至需要。即使對于不安全的設(shè)計，診斷也能增加魯棒性，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中的嵌入式診斷功能減少了實(shí)現(xiàn)診斷所需的外部元件，從而成為更小、更簡化、省時、省錢的解決方案。診斷包括：

檢查模擬引腳上的電壓電平，以確保其在指定的工作范圍內(nèi)

基準(zhǔn)電壓檢查

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

內(nèi)存映射上的 CRC

信號鏈檢查

這些診斷可帶來更強(qiáng)大的解決方案。

熱敏電阻系統(tǒng)評估

在概念化系統(tǒng)設(shè)計并了解預(yù)期的系統(tǒng)性能之后，設(shè)計人員的下一步是原型設(shè)計和驗證設(shè)計性能。CN-0545是實(shí)驗室電路參考設(shè)計，利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8評估板及其評估軟件，為0.1°C精度熱敏電阻提供測量數(shù)據(jù)。CN-0545中的電路使用10 kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器，該傳感器的額定測量溫度范圍為–50°C至+150°C，在更寬的溫度范圍內(nèi)，0°C至+70°C和±1°C之間的精度為±0.1°C。?

圖4顯示了CN-0545的測量結(jié)果。該測量數(shù)據(jù)由AD7124-4/AD7124-8評估板捕獲，該評估板包括熱敏電阻演示模式，用于測量熱敏電阻并使用傳感器的斯坦哈特-哈特常數(shù)計算等效°C。該圖顯示了實(shí)際的性能結(jié)果。如果將其與誤差預(yù)算計算器進(jìn)行比較，實(shí)際結(jié)果可能比該工具提供的估計值更好。這種差異是由于該工具對所有參數(shù)使用最大值，因此它提供了電路的最壞情況分析。實(shí)際上，系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備和組件的傳感器漂移、初始精度和溫度漂移并不總是處于其指定的最大值。

圖4.熱敏電阻溫度精度測量，后置濾波器，低功耗模式，25 SPS。

提供這種靈活的經(jīng)過驗證的參考電路板對系統(tǒng)設(shè)計人員很有價值，因為它可以縮短設(shè)計周期并提供良好的電路技術(shù)。除硬件外，該軟件還支持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)，以滿足市場需求，他們需要易于使用、高精度、高精度和可靠的信號鏈解決方案。

提供設(shè)計人員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)計人員處理測量的方式不同，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，可以使用簡單的固件應(yīng)用AD7124溫度測量演示示例來生成自定義代碼，可選擇控制器板、軟件平臺、器件配置和熱敏電阻等測量傳感器。這個開源 Mbed 平臺提供了支持超過 150+ 個控制器板的能力，無論是否經(jīng)過修改。因此，它支持快速原型設(shè)計和更快的開發(fā)階段。

結(jié)論

本文表明，設(shè)計基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)是一個具有挑戰(zhàn)性的多步驟過程。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計人員的旅程，熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計算器以及虛擬Eval、評估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545可用于解決連接問題和整體誤差預(yù)算等不同挑戰(zhàn)，使用戶的設(shè)計更上一層樓。

使用高度集成的低帶寬Σ-Δ型ADC進(jìn)一步減少了設(shè)計工作，因為它們提供了激勵、調(diào)理和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。

這種集成水平，以及完整的系統(tǒng)附件或生態(tài)系統(tǒng)，將簡化整個系統(tǒng)設(shè)計以及從概念到原型設(shè)計的成本和設(shè)計周期。

審核編輯：郭婷