將定制熱敏電阻與溫度比特系列結(jié)合使用

LTC2983、LTC2984、LTC2986 和 LTC2986-1 溫度至位轉(zhuǎn)換器除了內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型外，還允許使用定制傳感器。這篇文章重點(diǎn)介紹定制熱敏電阻和兩種配置轉(zhuǎn)換器的方法。

熱敏電阻是基于半導(dǎo)體材料的電阻式溫度傳感器。它們有兩種類(lèi)型：具有負(fù)溫度系數(shù) [NTC] 的類(lèi)型以及具有正溫度系數(shù) [PTC] 的類(lèi)型。雖然RTD中使用的許多金屬（包括鎳和鉑）具有正溫度系數(shù)，但它們與熱敏電阻的不同之處在于其響應(yīng)的線(xiàn)性度以及在給定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出的電阻范圍（由于熱敏電阻的對(duì)數(shù)響應(yīng)）。

熱敏電阻的用戶(hù)必須在熱敏電阻供應(yīng)商的幫助下根據(jù)測(cè)量的電阻確定溫度。溫度比特系列包括許多常見(jiàn)熱敏電阻的內(nèi)置系數(shù)，包括常用的 44004/44033 2.252kΩ、44006/44031 10kΩ 和 44008/44032 30kΩ 器件。使用這些標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型之一是進(jìn)行熱敏電阻溫度測(cè)量的最簡(jiǎn)單方法。但是，由于這并不總是可行或期望的，因此還提供了對(duì)自定義傳感器的支持。

供應(yīng)商將提供電阻-溫度表、斯坦哈特-哈特方程系數(shù)或 Beta 值。這里使用的 Beta 是一個(gè)在有限范圍內(nèi)近似斯坦哈特-哈特方程的單個(gè)數(shù)字。由于大多數(shù)提供Beta值的供應(yīng)商也提供覆蓋傳感器全范圍的電阻-溫度表，因此我們將重點(diǎn)介紹定制熱敏電阻的Steinhart-Hart和表輸入方法。

將自定義熱敏電阻輸入存儲(chǔ)器

我們將使用 TestBench GUI 來(lái)演示此功能。請(qǐng)注意，如果我們以后需要 C 代碼，從 GUI 開(kāi)始，我們不會(huì)搬起石頭砸自己的腳——GUI 可以通過(guò)生成包括表和系數(shù)的 C 代碼來(lái)提供幫助，同時(shí)展示將自定義傳感器參數(shù)加載到 RAM 中的有效方法。使用 GUI 和演示電路測(cè)試新的傳感器配置是確保使用自定義傳感器的棘手部分正常工作的好方法。

使用自定義電阻傳感器的最直接方法是將R-T表輸入內(nèi)存。讓我們選擇一個(gè)隨機(jī)NTC熱敏電阻并開(kāi)始使用。村田NCP15XM472J03RC 4.7kΩ標(biāo)稱(chēng)@25°C恰好與Digi-Key上最便宜的熱敏電阻并列，而在我們的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中找不到標(biāo)稱(chēng)值為4.7kΩ。

單擊數(shù)據(jù)表幾乎可以立即顯示電阻-溫度表：

圖1.村田制作所顯示R-T表的數(shù)據(jù)表。

我已經(jīng)突出顯示了我們正在查看的傳感器 - 我們有一個(gè)很好的溫度列和一個(gè)匹配的電阻列。這就是我們配置定制熱敏電阻所需的所有數(shù)據(jù)，所以讓我們繼續(xù)為臺(tái)架測(cè)試做好準(zhǔn)備。

配置 DC2210、測(cè)試臺(tái) GUI、自定義傳感器并執(zhí)行臺(tái)架驗(yàn)證測(cè)試

首先，我將進(jìn)行一些硬件設(shè)置，以便在配置自定義傳感器時(shí)可以立即進(jìn)行測(cè)試。

我正在使用 DC2026C Linduino One 與 DC2209A LTC2983 演示電路接口。最后，為了連接測(cè)試電阻，我使用的是DC2210A實(shí)驗(yàn)板。為了方便起見(jiàn)，我在實(shí)驗(yàn)室的DC2210A上安裝了COM和GND之間的跳線(xiàn)以及一些接頭。

對(duì)于此應(yīng)用程序，我將選擇一個(gè)R意義與我預(yù)期遇到的最大電阻相同數(shù)量級(jí) - 這將為我提供最大的激勵(lì)電流范圍和精度。10kΩ是大多數(shù)熱敏電阻設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的起點(diǎn)。在本例中，我為R選擇了精密5kΩ電阻意義，并將其安裝在 CH1 和 CH2 之間。我安裝了一個(gè)2.2kΩ測(cè)試電阻來(lái)代替熱敏電阻，如果定制傳感器配置正確，根據(jù)數(shù)據(jù)表，該電阻的讀數(shù)應(yīng)在45°C至50°C之間。由于測(cè)試電阻介于 CH7 和 CH8 之間，因此我需要在 CH2 上的檢測(cè)電阻底部和 CH7 上的傳感器頂部之間有一個(gè)跳線(xiàn)。測(cè)試設(shè)置如圖 2 所示。

圖2.用于熱敏電阻測(cè)試的DC2210A設(shè)置（未顯示Linduino One）。

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了硬件設(shè)置，讓我們看一下 GUI 配置。首先，我們需要在通道2上配置一個(gè)5kΩ檢測(cè)電阻。

圖3.檢測(cè)電阻配置。

接下來(lái)，我們將在通道8上配置熱敏電阻自定義表。數(shù)據(jù)表列出了0.31mA的最大激勵(lì)電流。LTC2983 具有一個(gè) 1.25V 的最大差分電壓，因此，利用我們 5kΩ 的最大電阻，我們可以使用高達(dá) 250μA 的激勵(lì)電流 — 非常適合低于數(shù)據(jù)手冊(cè)的最大值。由于實(shí)際選擇的傳感器是小型器件，因此我們會(huì)將其降低到100μA以減少自發(fā)熱。請(qǐng)注意，自定義傳感器不允許使用我最喜歡的激勵(lì)電流選擇自動(dòng)量程，因此我使用一種電流，該電流在NTC電阻較低的較高溫度下將繼續(xù)正常工作。

現(xiàn)在，我們幾乎可以輸入自定義數(shù)據(jù)了。自定義傳感器數(shù)據(jù)可以放置在用戶(hù) RAM 中的任何位置，因此我們需要注意重疊。由于這是我的第一個(gè)自定義傳感器，RAM 是一張白板，我不需要偏移內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，因此我們將自定義地址保留為 0。我還沒(méi)有計(jì)算我們的數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以我們現(xiàn)在將表長(zhǎng)度保留為 0 – 我們必須在關(guān)閉對(duì)話(huà)框之前設(shè)置它。

讓我們看一下自定義值輸入窗口。

圖4.自定義值表必須以歐姆為單位，即 K 度。

我馬上就注意到輸入每個(gè)值需要做一些工作，而且數(shù)據(jù)表的格式并不完全正確 – 數(shù)據(jù)表的溫度以攝氏度和千歐姆為單位，而不是 LTC2983 需要的Ω。我不會(huì)在輸入它們時(shí)嘗試逐個(gè)修改它們，而是會(huì)從電子表格中獲得一些幫助。

值得慶幸的是，村田的PDF是文本可復(fù)制的，所以稍后我們有一些數(shù)據(jù)。其他供應(yīng)商不是那么好，但是使用電子表格方法，您只執(zhí)行一次數(shù)據(jù)輸入。

接下來(lái)，我們將為開(kāi)爾文溫度和歐姆電阻創(chuàng)建新列，這些是簡(jiǎn)單的公式列（例如“=A2+273.15”“=B2*1000”）。請(qǐng)注意，自定義數(shù)據(jù)必須以Ω、溫度 （K） 為單位，并且必須單調(diào)遞增（歐姆），我們將按電阻對(duì)要遞增的工作表進(jìn)行排序。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn) LTC2983 產(chǎn)品手冊(cè)的第 65 頁(yè)。

最后，我們將創(chuàng)建一個(gè)列，為我們提供一個(gè)逗號(hào)分隔的值，準(zhǔn)備導(dǎo)入到TestBench GUI中 - 同樣，這是一個(gè)內(nèi)置的Excel函數(shù)（例如“=CONCATENATE（E2，”，“，D2）”）。圖 5 中所示的電子表格現(xiàn)已完成。

圖5.使用電子表格程序可以讓我們準(zhǔn)備好將CSV格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入TestBench GUI。

現(xiàn)在，我們可以簡(jiǎn)單地將結(jié)果表復(fù)制粘貼到TestBench GUI中的自定義值窗口中。

圖6.格式正確的CSV列直接復(fù)制到TestBench GUI中。

點(diǎn)擊確定。我們從電子表格中知道我們有 34 行數(shù)據(jù)或 34 個(gè)表?xiàng)l目。由于 GUI 需要 length-1，我們將輸入 33 作為表長(zhǎng)度，然后點(diǎn)擊接受更改。

圖7.最終自定義表配置窗口顯示用戶(hù) RAM 中表數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

此時(shí)，GUI 應(yīng)顯示與我們的測(cè)試設(shè)置相匹配的接線(xiàn)圖。

圖8.驗(yàn)證 GUI 中的接線(xiàn)圖是及早發(fā)現(xiàn)配置問(wèn)題的好方法。

讓我們測(cè)試一下！首先，讓我們使用頂部的綠色復(fù)選標(biāo)記來(lái)驗(yàn)證我們的配置。

圖9.TestBench GUI 可以驗(yàn)證配置，包括檢查重疊的引線(xiàn)和缺失的 R意義連接。

如果一切順利，當(dāng)我們運(yùn)行評(píng)估我們的配置（綠色按鈕）時(shí)，我們應(yīng)該看到以攝氏度為單位報(bào)告的溫度在 46°C 左右（從數(shù)據(jù)表表中猜測(cè)）。

圖 10.GUI 顯示計(jì)算的溫度以及測(cè)量的電阻，可以快速檢查 R意義價(jià)值。

成功！圖10所示的電阻是正確的，這意味著我們的檢測(cè)電阻配置是正確的，并且溫度在表中的45°C和50°C數(shù)據(jù)點(diǎn)之間正確插值。

讓我們?cè)贆z查一個(gè)值以確保我們的表格正常工作，即330Ω電阻，因?yàn)樗鼞?yīng)該顯示110°C。

圖 11.第二個(gè)電阻值表明我們的表被正確插值。

不錯(cuò)。

熱敏電阻定制斯坦哈特-哈特

現(xiàn)在另一個(gè)自定義方法 – 斯坦哈特-哈特系數(shù)呢？一些供應(yīng)商提供這些可直接用于我們的方法（例如 Omega），而其他供應(yīng)商則以略微不同但仍然有效的方式提供它們（例如 Vishay）——我們將看看一個(gè)需要一些小操作來(lái)了解需要什么。

Vishay NTCLE100E3 系列引線(xiàn) NTC 熱敏電阻是廣受歡迎的低成本傳感器。讓我們來(lái)看看25°C時(shí)的標(biāo)稱(chēng)值為10kΩ，其Beta（25/85）為3997K。Vishay 提供了一個(gè)系數(shù)表，如圖 11 所示。

圖 12.Vishay在其熱敏電阻數(shù)據(jù)表中使用了略有不同的斯坦哈特-哈特方程形式。

我已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了興趣系數(shù)，以及Vishay使用的Steinhart-Hart方程。請(qǐng)注意，Vishay 方程與 LTC2983 預(yù)期的方程略有不同。我們可以將 E 和 F 設(shè)置為零，因此在 Vishay 數(shù)據(jù)表中沒(méi)有它們沒(méi)有問(wèn)題。

圖 13.LTC2983、LTC2984、LTC2986 和 LTC2986-1 中內(nèi)置的完整斯坦哈特-哈特方程。

然而，LTC2983 公式使用基于 R 值的系數(shù)（Ω），而 Vishay 系數(shù)取 R 相對(duì)于 R裁判或 R25 – 25°C 時(shí)的標(biāo)稱(chēng)值。 轉(zhuǎn)換涉及一些算術(shù)。

首先，我們要去掉對(duì)數(shù)內(nèi)的分?jǐn)?shù)。為此，我們可以使用身份。

因此，Vishay 方程變?yōu)椋?/p>

展開(kāi)多項(xiàng)式項(xiàng)并將系數(shù)相乘得到：

維沙伊給了我們一個(gè)1， B1， C1， D1和 R25它們是常量，允許我們重新排列上述內(nèi)容，以便我們有一個(gè) In（R）、（In（R）） 的方程2等，以匹配我們的數(shù)據(jù)表格式。然后，我們的新系數(shù)變?yōu)椋?/p>

圖 14.使用電子表格在 Vishay 的斯坦哈特-哈特系數(shù)形式和我們的形式之間轉(zhuǎn)換系數(shù)。

現(xiàn)在我們可以計(jì)算我們的新系數(shù)并將它們輸入到 GUI 中。同樣，電子表格有助于維護(hù)方程并執(zhí)行一些基本的測(cè)試。

我們將在通道12上設(shè)置一個(gè)新的定制熱敏電阻來(lái)測(cè)試系數(shù)。

圖 15.新的自定義傳感器配置窗口顯示所需的偏移量，以免覆蓋現(xiàn)有的表數(shù)據(jù)。

我們將在通道2上共享與以前相同的檢測(cè)電阻，但在這種情況下，由于我們已經(jīng)從位置0開(kāi)始將表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在用戶(hù)RAM中，因此我們需要偏移新系數(shù)的位置以防止任何重疊。由于表中有 34 個(gè)條目從地址 0 開(kāi)始，因此我們將新系數(shù)放在它們之后的位置 34，如圖 15 所示。使用 GUI 的驗(yàn)證配置工具，我們可以確認(rèn)我們沒(méi)有沖突。

最后，回顧數(shù)據(jù)表，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)R-T表，可以用來(lái)驗(yàn)證我們的系數(shù)工作 - 例如，1070Ω應(yīng)該給出85°C - 使用抓包5%電阻設(shè)置臺(tái)架測(cè)試，我們可以檢查我們的結(jié)果。

圖 16.兩個(gè)定制熱敏電阻 - 兩個(gè)有效的溫度轉(zhuǎn)換測(cè)量電阻。

看起來(lái)它正在工作！

結(jié)論

在這篇文章中，我們介紹了將自定義熱敏電阻數(shù)據(jù)輸入溫度到位系列的兩種方法。一個(gè)值得注意的結(jié)果是，電阻-溫度表更易于調(diào)整和輸入，而斯坦哈特-哈特系數(shù)使用的內(nèi)存要少得多，并且由于使用的插值方法，可能會(huì)提供更好的結(jié)果。

還應(yīng)該提到的是，擬合方法可用于根據(jù)電阻溫度表數(shù)據(jù)計(jì)算斯坦哈特-哈特系數(shù)。在某些方面，如果在單個(gè)系統(tǒng)中使用多種類(lèi)型的自定義傳感器，這將非常有用，因?yàn)楣?jié)省的內(nèi)存可能很大。

審核編輯：郭婷