快速创建基于热敏电阻的精确温度检测电路

周四, 25 七月 2019 - 11:52

作者：Bonnie Baker,Digi-Key 北美编辑

温度传感器是电子行业中应用最广泛的传感器之一，应用范围包括校准、安全、暖通空调 (HVAC) 等。尽管应用广泛，但是设计人员若要以最低的成本实现最高精度的性能，温度传感器及其实现仍然极具挑战性。

温度检测的方法有许多种。最常见的方法是使用热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)、热电偶或硅温度计等温度传感器。不过，选择合适的传感器只是解决方案的一部分。在此之后，所选传感器必须连接信号链，该信号链不仅要保持信号完整性，还要精确补偿特定检测技术的独有特性，以确保能够提供精确的数字化温度值。

本文介绍了一种 USB 供电电路解决方案来完成这项任务。该解决方案使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻，结合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模拟微控制器来精确监测温度。

NTC 热敏电阻的特性 
热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器，可分为两种类型：正温度系数 (PTC) 热敏电阻和负温度系数 (NTC) 热敏电阻。多晶陶瓷 PTC 热敏电阻具有较高的正温度系数，常用于开关应用。NTC 陶瓷半导体热敏电阻具有较高的负温度系数，随着温度升高而电阻值下降，因而适用于精密温度测量。

NTC 热敏电阻共有三种工作模式：电阻 - 温度、电压 - 电流和电流 - 时间。在利用电阻 - 温度特性的工作模式下，热敏电阻的检测结果精度最高。

电阻 - 温度电路将热敏电阻配置为“零功率”状态。“零功率”状态假定器件的激励电流或激励电压不会引起热敏电阻的自热现象。

Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 是一款典型 NTC 热敏电阻，该器件电阻值为 4.7 kΩ，采用 0603 封装，电阻 - 温度特性具有高度非线性（图 1）。
<img alt="典型 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ff3f7bec-0760-4271-a49d-09c56c70d445" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE%201%EF%BC%9A%E5%85%B8%E5%9E%8B%20NTC%20%E7%83%AD%E6%95%8F%E7%94%B5%E9%98%BB%E7%9A%84%E7%94%B5%E9%98%BB.jpg" />
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图 1：典型 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性，因此设计人员必须设法使指定温度范围内的这种非线性得到控制。（图片来源：Bonnie Baker，根据 Murata 提供的电阻值计算和绘制）
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如图 1 曲线所示，4.7 kΩ 热敏电阻的电阻 - 温度特性高度非线性。NTC 热敏电阻值随温度下降的速率是一个常数，称为 β（图中未显示）。对于 Murata 的 4.7 kΩ 热敏电阻而言，β = 3500。

使用高分辨率模数转换器 (ADC) 和经验三阶多项式或查找表，可以在软件中校正热敏电阻的非线性响应。

然而，有一种硬件技术效果更佳、应用更简单且成本更低，只需应用于 ADC 之前，就可以解决 ±25℃ 温度范围内的热敏电阻线性化问题。

硬件线性化解决方案 
实现热敏电阻输出初步线性化的简单方法是，将热敏电阻与标准电阻器（1%，金属膜）和电压源串联。串联的电阻值决定热敏电阻电路线性响应区间的中点。根据热敏电阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 方程，可确定热敏电阻的温度（图 2）。据证实，Steinhart-Hart 方程是确定 NTC 热敏电阻温度的最佳数学表达式。
<img alt="图 2：分压器（RTH 和 R25）配置可使热敏电阻响应线性化" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b0057c5b-999a-4b53-954e-0a44edd0fc11" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE%202%EF%BC%9A%E5%88%86%E5%8E%8B%E5%99%A8%EF%BC%88RTH%20%E5%92%8C%20R25%EF%BC%89%E9%85%8D%E7%BD%AE%E5%8F%AF%E4%BD%BF%E7%83%AD%E6%95%8F%E7%94%B5%E9%98%BB%E5%93%8D%E5%BA%94%E7%BA%BF%E6%80%A7%E5%8C%96.jpg" />
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图 2：分压器（RTH 和 R25）配置可使热敏电阻响应线性化。ADC0（ADC 输入端）的线性范围约为 50℃ 的温度范围。（图片来源：Bonnie Baker）
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为推导热敏电阻的实际电阻值 RTH，首先要确定分压器输出 (VADC0)，然后使用 VADC0 求得 ADC 数字输出十进制代码 DOUT，而 DOUT 取决于 ADC 位数 (N)、ADC 最大输入电压 (VREF) 和 ADC 输入电压 (VADC0)。求解 RTH 的第三步，即最后一步是用 R25（25℃ 时的 RTH 值）乘以 ADC 代码数与 ADC 数字输出十进制代码的比值。第三步计算过程从下述等式 2 开始。
<img alt="等式2" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4eb3c6ba-433f-43f8-9418-ba9601717270" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AD%89%E5%BC%8F2.jpg" />
最后一步计算使用上述 Steinhart-Hart 方程，将热敏电阻值转换为开氏温度。ADuC7023 精密模拟微控制器使用等式 4 求得传感器温度：
<img alt="等式4" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ac6b589a-759a-4706-ba2b-b311660224a3" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%AD%89%E5%BC%8F4.jpg" />
等式 4

其中：

T2 = 测量的热敏电阻温度（以 K 为单位）

T1 = 298 K (25℃)

β = 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻 β 参数。β = 3500

R25 = 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻值。R25 = 4.7 kΩ

RTH = 未知温度时的热敏电阻值，由等式 3 计算

图 2 中，25℃ 时的热敏电阻值 (RTH) 等于 4.7 kΩ。由于 R25 的阻值等于 25℃ 时的热敏电阻值，因此分压器的线性区间以 25℃ 为中心（图 3）。
<img alt="图 3：4.7 kΩ 热敏电阻与 4.7 kΩ 标准电阻器串联的线性响应" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="cd3aa37b-a92e-49be-8547-d40aec42657e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE%203%EF%BC%9A4.7%20k%E2%84%A6%20%E7%83%AD%E6%95%8F%E7%94%B5%E9%98%BB%E4%B8%8E%204.7%20k%E2%84%A6%20%E6%A0%87%E5%87%86%E7%94%B5%E9%98%BB%E5%99%A8%E4%B8%B2%E8%81%94%E7%9A%84%E7%BA%BF%E6%80%A7%E5%93%8D%E5%BA%94.jpg" />
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图 3：4.7 kΩ 热敏电阻与 4.7 kΩ 标准电阻器串联的线性响应，分压器两端电压为 2.4 V。（图片来源：Bonnie Baker，根据 Murata 提供的电阻值计算和绘制）
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图 3 中，热敏电阻串联电路约在 0℃ 至 +50℃ 的有限温度范围内可实现线性温度响应。在此范围内，温度变化误差为 ±1℃。线性化电阻值 (R25) 应等于目标温度范围中点对应的热敏电阻值。

在 ±25℃ 的温度范围内，该电路可实现的精度典型值为 12 位，热敏电阻的标称温度为 R25 的阻值。

基于 USB 的温度监测器 
该电路解决方案的信号路径始于低成本的 4.7 kΩ 热敏电阻，然后连接 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。该微控制器集成四个 12 位数模转换器 (DAC)、一个多通道 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和一个 1.2 V 内部基准源，以及 ARM7® 内核、126 KB 闪存、8 KB 静态随机存取存储器 (SRAM) 和 UART、定时器、SPI 和两个 I2C 接口等各种数字外设（图 4）。
<img alt="图 4：该温度检测电路使用 USB 接口进行供电" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d195de83-d73a-416f-b8f0-be4cbf4e0ea3" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE%204%EF%BC%9A%E8%AF%A5%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E6%A3%80%E6%B5%8B%E7%94%B5%E8%B7%AF%E4%BD%BF%E7%94%A8%20USB%20%E6%8E%A5%E5%8F%A3%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E4%BE%9B%E7%94%B5.jpg" />
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图 4：该温度检测电路使用 USB 接口进行供电，使用 ADuC7034 微控制器的 I2C 接口进行数字通信。（图片来源：Analog Devices）
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图 4 中，电路的电源和接地都来自四线 USB 接口。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低压差线性稳压器使用 5 V USB 电源产生 3.3 V 输出。ADP3333 稳压输出为 ADuC7023 的 DVDD 端供电。ADuC7023 的 AVDD 电源需要另接滤波器，如图所示。此外，USB 电源与线性稳压器的 IN 引脚之间也需接入滤波器。

温度数据交换也是通过 USB 接口的 D+ 和 D- 引脚实现。ADuC7023 能够使用 I2C 协议发送和接收数据。该应用电路使用双线 I2C 接口发送数据并接收配置命令。

该应用使用了如下 ADuC7023 特性：

<ul>
<li>12 位 SAR ADC。</li>
<li>带 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 内部闪存用于运行用户代码，以配置和控制 ADC、管理 USB 接口的通信以及处理热敏电阻的 ADC 转换。</li>
<li>I2C 接口用于与主机 PC 通信。</li>
<li>两个外部开关/按钮（图中未显示）可强制器件进入闪存引导模式：使 DOWNLOAD 保持低电平并切换 RESET 开关，ADuC7023 将进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，利用 USB 接口连接器件相关的 I2CWSD 软件工具，可以对内部闪存重新编程。</li>
<li>VREF 是带隙基准。此基准电压可用作系统中其他电路的电压基准。各引脚连接的最小 0.1 μF 电容用于降噪。</li>
</ul>

ADuC7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)，采用 32 引脚芯片级封装，因此整个电路占用的印刷电路板空间极小，有利于节省成本和空间。

虽然 ADuC7023 具有功能强大的 ARM7 内核和高速 SAR ADC，但仍能提供低功耗解决方案。整个电路的典型功耗为 11 mA，ARM7 内核时钟速度达 5 MHz，主 ADC 用于测量外部热敏电阻。在两次温度测量之间，可以关闭微控制器和/或 ADC 以进一步节省功耗。

布局注意事项 
图 4 所示的信号处理系统很容易导致误解，乍看之下，该系统仅包含三个有源器件，但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。

例如，ADuC7023 微控制器是相当复杂的模拟数字系统，需要特别注意接地规则。虽然该系统的模拟域频率似乎“很慢”，但片上采样保持 ADC 却是高速多通道器件，采样速率高达 1 MS/s，最大时钟速度达 41.78 MHz。该系统的时钟上升和下降时间只有数纳秒，因此该应用属于高速应用。

显然，面对混合信号电路时需要特别注意。下述四点核对清单涵盖了主要方面：

<ol>
<li>使用电解电容器</li>
<li>选择较小的电容器</li>
<li>接地平面注意事项</li>
<li>可以选择小型铁氧体磁珠</li>
</ol>

该电路中常用 10 mF 至 100 mF 的大电解电容器，距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可充当电荷储存器，用于消除走线电感产生的瞬时电荷。

该电路中常用 0.01 mF 至 0.1 mF 的小电容，应尽可能靠近器件的电源引脚放置。此类电容器可用于高频噪声的快速高效接地。

接地平面（去耦电容下方）可对高频电流去耦，最大限度地减少 EMI/RFI 辐射。请选择面积较大的低阻抗区域作为接地平面。为了最大限度地减小走线电感，电容器应使用通孔或较短印制线接地。

除了图 4 中的去耦电容外，USB 电缆的 EMI/RFI 保护也需要使用铁氧体。该电路中使用的铁氧体磁珠是 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T，100 MHz 时的阻抗为 1000 Ω。

总结 
温度传感器是应用最广泛的传感器之一，但其设计要求却始终给设计人员带来艰巨挑战——既要缩减成本和尺寸，又要提高检测精度。考虑到这些要求，本文介绍了基于 USB 的低功耗商用热敏电阻系统实现方法。该系统采用 Analog Devices 的小型 12 位 ADC 和高精度 ADuC7023 微控制器解决方案。这一组合成功使用电阻器来校正 NTC 热敏电阻的非线性响应，可精确检测和监视温度。

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