基于熱敏電阻的溫度檢測(cè)系統(tǒng)（第二部分）：系統(tǒng)優(yōu)化與評(píng)估

正如本系列文章上篇所討論的，設(shè)計(jì)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)包括上篇文中討論過(guò)的傳感器選擇和電路配置。其他挑戰(zhàn)有測(cè)量?jī)?yōu)化——包括ADC配置和選擇外部元件，同時(shí)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能并確定與ADC和整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的誤差源。

簡(jiǎn)介

正如本系列文章上篇所討論的，設(shè)計(jì)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)包括上篇文中討論過(guò)的傳感器選擇和電路配置。其他挑戰(zhàn)有測(cè)量?jī)?yōu)化——包括ADC配置和選擇外部元件，同時(shí)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能并確定與ADC和整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的誤差源。

熱敏電阻系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算 計(jì)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(jì)具有激勵(lì)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(cè)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(xiàng)，該工具會(huì)標(biāo)記這是一個(gè)錯(cuò)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(hào)的工作范圍，它就會(huì)顯示錯(cuò)誤，如圖2所示。遵循推薦的范圍值同樣會(huì)確保系統(tǒng)配置符合傳感器和電子器件的工作條件。

圖1.熱敏電阻配置器

圖2.越界條件

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(jì)優(yōu)化。請(qǐng)注意，該工具是圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計(jì)的，因此它還決定了可以連接到單個(gè)ADC的傳感器數(shù)量。為了了解該工具的重要性，下面討論熱敏電阻要考慮的不同設(shè)計(jì)因素。

系統(tǒng)配置（激勵(lì)、增益和外部元件）

與RTD類似，熱敏電阻也容易自發(fā)熱，因?yàn)楫?dāng)電流流過(guò)其中時(shí)，電阻會(huì)消耗功率。因此，設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。首先，設(shè)計(jì)人員傾向于選擇更高的激勵(lì)電壓值來(lái)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(huì)隨著溫度的升高而降低，因此流過(guò)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(lái)說(shuō)，熱敏電阻不需要很高的激勵(lì)源值，因?yàn)樵陬~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(lì)電壓就足夠了，并且它支持比率式配置。通過(guò)將PGA增益設(shè)置為1，該技術(shù)還能確保熱敏電阻整個(gè)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2.5V基準(zhǔn)電壓。當(dāng)使用1倍增益時(shí)，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(huì)增加誤差。但是，若在增益為1時(shí)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(jì)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(cè)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(jì)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(duì)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0dB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(gè)抗混疊濾波器。Σ-Δ型ADC本身會(huì)對(duì)模擬輸入信號(hào)過(guò)采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，一個(gè)簡(jiǎn)單的（單極點(diǎn)）RC濾波器就夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8只要求每個(gè)模擬輸入串聯(lián)一個(gè)1kΩ電阻，AINP到AINM之間使用一個(gè)0.1μF電容，以及每個(gè)模擬輸入引腳到AVSS之間使用一個(gè)0.01μF電容。

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用或過(guò)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(huì)遇到來(lái)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(qǐng)注意，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在增益為1的無(wú)緩沖模式下運(yùn)行時(shí)，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?yàn)樵趦蓚€(gè)采樣時(shí)刻之間，ADC沒(méi)有足夠的時(shí)間完成建立。對(duì)模擬輸入進(jìn)行緩沖可防止這些誤差。

來(lái)自交流電源的干擾也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此，當(dāng)器件由交流電源供電時(shí)，50Hz/60Hz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(gè)優(yōu)勢(shì)是它提供靈活的數(shù)字濾波選項(xiàng)，可以將陷波頻率設(shè)置為50Hz和/或60Hz。

所選濾波器類型以及所設(shè)置的輸出數(shù)據(jù)速率會(huì)影響建立時(shí)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(shí)序也是一個(gè)因素。在大多數(shù)應(yīng)用中，為了執(zhí)行所有測(cè)量，需要滿足特定時(shí)間要求。如果使能多個(gè)通道（即使用多個(gè)傳感器），設(shè)計(jì)人員需要考慮通過(guò)數(shù)字濾波器的延遲。在多路復(fù)用ADC中，當(dāng)使能多個(gè)通道時(shí)，每次切換通道都需要一個(gè)建立時(shí)間。因此，選擇具有較長(zhǎng)建立時(shí)間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會(huì)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(shí)間提供合理的50 Hz/60 Hz同時(shí)抑制，從而提高吞吐速率。所有濾波器選項(xiàng)和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集可以通過(guò)熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器進(jìn)行測(cè)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(jì)算中。請(qǐng)注意，輸出數(shù)據(jù)速率/FS值/吞吐速率的全部選擇可通過(guò)Virtual Eval在線工具獲得。Virtual Eval顯示了不同場(chǎng)景的時(shí)序，無(wú)論是測(cè)量單個(gè)還是多個(gè)熱敏電阻傳感器，都可以使用它來(lái)評(píng)估ADC的時(shí)序性能。

誤差預(yù)算計(jì)算

如前所述，熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)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(jì)算器可幫助設(shè)計(jì)人員了解與ADC相關(guān)的誤差，以及來(lái)自系統(tǒng)配置的誤差，無(wú)論是否進(jìn)行內(nèi)部或系統(tǒng)校準(zhǔn)。系統(tǒng)錯(cuò)誤餅圖指示系統(tǒng)的哪個(gè)部分對(duì)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。

圖3.熱敏電阻誤差預(yù)算計(jì)算器

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(shí)，外部元件及其溫度系數(shù)或溫度漂移規(guī)格通常是整個(gè)系統(tǒng)的主要誤差因素。

例如，如果我們?cè)诠ぞ咧袑z測(cè)電阻的溫度系數(shù)從10ppm/°C改為25ppm/°C，您會(huì)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(cè)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(cè)量誤差。建議在上電或軟件初始化時(shí)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，以消除標(biāo)稱溫度時(shí)的ADC增益和失調(diào)誤差。請(qǐng)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(shí)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(diǎn)執(zhí)行校準(zhǔn)也可改善漂移性能。但是，這會(huì)增加成本和工作量，并且可能不適合某些應(yīng)用。

故障檢測(cè)

對(duì)于惡劣環(huán)境或安全很重要的應(yīng)用，診斷特性越來(lái)越重要，甚至必不可少。即使對(duì)于非安全設(shè)計(jì)，診斷也能提高穩(wěn)健性，確保設(shè)計(jì)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(duì)外部元件實(shí)現(xiàn)診斷的需求，使得解決方案尺寸更小、時(shí)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(yàn)(CRC)

? 存儲(chǔ)器映射的CRC

? 信號(hào)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(píng)估

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行概念化并了解預(yù)期系統(tǒng)性能之后，設(shè)計(jì)師的下一步是制作原型并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的性能。CN-0545是Circuits from the Lab?參考設(shè)計(jì)，它利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8評(píng)估板及其評(píng)估軟件提供0.1°C精度的熱敏電阻的測(cè)量數(shù)據(jù)。CN-0545中的電路使用一個(gè)10kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器，其額定測(cè)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(cè)量結(jié)果。該測(cè)量數(shù)據(jù)是利用AD7124-4/AD7124-8評(píng)估板獲得的，該評(píng)估板包括熱敏電阻演示模式，可測(cè)量熱敏電阻的電阻并使用傳感器的Steinhart-Hart常數(shù)計(jì)算等效溫度(°C)。該圖顯示了實(shí)際性能結(jié)果。如果將其與誤差預(yù)算計(jì)算器進(jìn)行比較，實(shí)際結(jié)果可能比該工具提供的估計(jì)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(shí)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(cè)量，后置濾波器，低功耗模式，25SPS

提供這種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的靈活參考電路板對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員很有價(jià)值，因?yàn)樗芸s短設(shè)計(jì)周期并提供良好的電路技術(shù)。除了硬件，軟件還支持針對(duì)每個(gè)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(chǎng)對(duì)易于使用、高精度、精密、可靠信號(hào)鏈解決方案的需求。

為設(shè)計(jì)人員提供工具和硬件演示模式電路可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有不同的測(cè)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(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的固件應(yīng)用程序AD7124溫度測(cè)量演示示例來(lái)生成自定義代碼，它支持選擇控制器板、軟件平臺(tái)、器件配置和測(cè)量傳感器（如熱敏電阻）。這個(gè)開(kāi)源Mbed平臺(tái)支持150多種經(jīng)過(guò)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(jì)，開(kāi)發(fā)工作將更加快捷。

結(jié)論

由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具挑戰(zhàn)性的多步驟過(guò)程。為使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)之旅更輕松，可以使用熱敏電阻配置器、誤差預(yù)算計(jì)算器、Virtual Eval、評(píng)估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545來(lái)應(yīng)對(duì)不同的挑戰(zhàn)，例如連接問(wèn)題和總誤差預(yù)算，將用戶的設(shè)計(jì)體驗(yàn)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(jì)工作，因?yàn)樗鼈兲峁┝思?lì)、調(diào)理、測(cè)量傳感器所需的構(gòu)建模塊，同時(shí)消除了50Hz/60Hz抑制等問(wèn)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(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本，縮短從概念到原型的設(shè)計(jì)周期。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. 在現(xiàn)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號(hào)、電源管理、RF、數(shù)字與傳感技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬(wàn)家客戶，在工業(yè)、通信、汽車與消費(fèi)市場(chǎng)提供超過(guò)7.5萬(wàn)種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。

（來(lái)源：ADI公司，作者：ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部Jellenie Rodriguez和ADI工程師Mary McCarthy）