基于热敏电阻的温度检测系统的优化和评估

作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

介绍

如本系列文章第1部分所述，设计和优化基于热敏电阻的应用解决方案存在不同的挑战。这些是传感器选择和电路配置，已在上一篇文章中讨论过。其他挑战包括测量优化，包括ADC配置和选择外部元件，同时确保ADC在规格范围内运行，以及系统优化以实现目标性能并确定与ADC和整个系统相关的误差源。

热敏电阻系统优化

使用热敏电阻配置器和误差预算计算器等易于使用的工具，客户可以轻松地在其系统中配置热敏电阻，包括接线和接线图。该工具以比例配置设计具有激励电压的热敏电阻系统。它还允许客户调整设置，如传感器类型、被测温度范围、线性化和外部元件，如图1所示。它确保ADC和热敏电阻传感器的使用符合规格。因此，如果客户选择不受支持的选项，该工具会标记这是错误条件。例如，如果客户选择的最大温度值超出特定热敏电阻型号的工作范围，则会显示如图2所示的错误。遵循建议的范围值将再次确保系统配置满足传感器和电子操作条件。

该工具使用户能够了解不同的错误源，并且还允许设计优化。请注意，该工具围绕AD7124-4/AD7124-8设计，因此它还决定了可以连接到单个ADC的传感器数量。为了理解该工具的重要性，让我们来看看热敏电阻中使用的不同设计考虑因素。

图1.热敏电阻配置器。

图2.越界条件。

系统配置（激励、增益和外部元件）

与RTD类似，热敏电阻也容易受到自热的影响，因为当电流流过时，电阻会耗散功率。因此，设计人员必须将热敏电阻的工作电流保持在尽可能低的水平，使其功耗不会对测量结果产生重大影响。首先，设计人员倾向于选择较高的激励电压值来产生更高的输出电压，以便充分利用ADC的输入范围。但是，由于热敏电阻传感器具有负温度系数，因此其电阻会随着温度的升高而减小，因此流过它的高电流值将导致更高的功耗，从而导致自发热。

从好的方面来说，热敏电阻不需要更高的激励源值，因为其更高的灵敏度特性可以在指定的温度范围内产生从毫伏到伏的输出电压。因此，使用激励电压如ADC基准电压值就足够了，并且允许比率配置。通过将PGA增益设置为1，该技术还可以确保整个热敏电阻输出电压范围或ADC模拟输入端的电压始终在ADC工作输入范围内。该工具使用AD7124-4/AD7124-8上的内部2.5 V基准电压源。当使用增益1时，PGA也会关断，从而降低总电流消耗。AD7124-4/AD7124-8还集成了模拟输入缓冲器，允许在外部使用无限的电阻和/或电容值，非常适合直接连接到外部电阻型传感器（如热敏电阻）或连接电磁能力（EMC）滤波，而不会增加任何误差。但是，当ADC增益为1且使能模拟输入缓冲器时，必须确保满足正确操作所需的裕量。该工具还允许设计人员平衡外部元件的选择，包括外部裕量电阻的允许范围和推荐的检测电阻值及其容差和漂移性能。热敏电阻工具还提供了常用热敏电阻类型的列表，并允许设计人员输入任何类型的NTC热敏电阻的标称值和β（β）或斯坦哈特常数。传感器、外部元件的精度及其对系统误差的贡献以及传感器使用的线性化技术的影响将在后面讨论。

滤波和功耗考虑

Σ-Δ型ADC使用数字滤波器，数字滤波器的频率响应在采样频率和采样频率的倍数处提供0 dB的衰减。这意味着滤波器响应在采样频率附近反射，因此需要在模拟域中使用抗混叠滤波器。由于Σ-Δ型ADC固有地对模拟输入信号进行过采样，因此简化了抗混叠滤波器的设计，因此一个简单的（单极点）RC滤波器就足够了。例如，AD7124-4/AD7124-8只需要一个与每个模拟输入串联的1 kΩ电阻、从AINP到AINM的0.1 μF电容，以及从每个模拟输入引脚到AVSS的0.01 μF。

在大多数工业应用或过程控制中，额外的鲁棒性是重中之重。系统可能会遇到来自其相邻组件或环境的噪声、瞬变或其他干扰。出于EMC目的，通常在模拟输入上使用较大的R和C值。但是，请注意，当转换器工作在增益为1的无缓冲模式下时，输入直接进入调制器的采样电容，因此较大的RC值会导致增益误差，因为ADC没有足够的时间在采样时刻之间建立。缓冲模拟输入可防止这些错误。

来自主电源的干扰也会影响测量结果。因此，当器件由电源供电时，50 Hz/60 Hz抑制也是系统要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄带宽Σ-Δ型ADC的另一个优点是，它提供灵活的数字滤波选项，可将陷波设置为50 Hz和/或60 Hz。

所选滤波器类型以及编程输出数据速率会影响建立时间及其噪声性能。该器件还提供不同的功率模式，允许用户调整ADC以获得最佳功率、速度或性能。系统的电流消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用。如果系统需要更高的输出数据速率和更好的噪声性能，则可以将器件配置为全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要有限的功耗，则设备可以在中功率或低功耗模式下运行。

除了准确性或性能之外，时间也是一个因素。在大多数应用中，需要满足特定的时间才能执行所有测量。如果启用了多个通道（即使用多个传感器），设计人员需要考虑通过数字滤波器的延迟。在多路复用ADC中，当使能多个通道时，每次切换通道时都需要一个建立时间;因此，选择建立时间较长的滤波器类型（即sinc4或sinc3）将降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或FIR滤波器有助于在较短的建立时间内提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制，从而提高吞吐速率。所有滤波器选项和输出数据速率选择的子集都可以通过热敏电阻配置器和误差预算计算器进行测试。这将产生预期的噪声性能，并将提供给下一节将讨论的系统误差计算。请注意，虚拟评估在线工具上提供了完整的输出数据速率/FS值/吞吐速率选择。虚拟评估显示了不同场景的时序，可用于评估ADC的时序性能，无论是测量单个还是多个热敏电阻传感器。

误差预算计算

如前所述，热敏电阻配置器和误差预算计算器允许用户修改系统配置以获得最佳性能。图3所示的误差预算计算器可帮助设计人员了解与ADC相关的误差，以及系统配置中的误差，无论是否进行内部或系统校准。系统错误饼图指示系统的哪个部分是整个系统错误的最大贡献者。因此，客户可以修改ADC或系统配置以实现最佳性能。

如图3所示，ADC引起的误差并不是导致整体系统误差的重要误差因素。在整个温度范围内工作时，外部元件及其温度系数或温度漂移规格通常是整个系统的主要误差贡献因素。

例如，如果我们在工具中将检测电阻温度系数从10 ppm/°C更改为25 ppm/°C，您将看到整体系统误差将显着增加。因此，选择具有更好初始精度和更低温度系数的检测电阻非常重要，以最大程度地减少任何可能的温度漂移误差。

AD7124-4/AD7124-8提供不同的校准模式，可用于进一步降低测量误差。建议在上电或软件初始化时进行内部校准，以消除标称温度下ADC的增益和失调误差。请注意，该工具使用的增益设置为 1。AD7124-4/AD7124-8出厂校准增益为1，所得增益系数为器件的默认增益系数。因此，该器件不支持增益为1的进一步内部满量程校准。请注意，标称温度下的内部校准仅消除AD7124-4/AD7124-8的增益和失调误差，而不会消除增益和失调误差以及外部电路产生的任何漂移误差。执行系统校准可以消除外部误差。在不同温度点进行校准也可以提高漂移性能。但是，这将增加额外的成本和工作量，并且可能不适合某些应用程序。

图3.热敏电阻误差预算计算器。

故障检测

对于任何恶劣环境或安全优先的应用，诊断功能变得越来越重要，甚至需要。即使对于不安全的设计，诊断也能增加鲁棒性，确保设计的所有模块都正常运行，并且处理器仅接收和处理有效数据。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式诊断功能减少了实现诊断所需的外部元件，从而成为更小、更简化、省时、省钱的解决方案。诊断包括：

检查模拟引脚上的电压电平，以确保其在指定的工作范围内

基准电压检查

串行外设接口 （SPI） 总线上的循环冗余校验 （CRC）

内存映射上的 CRC

信号链检查

这些诊断可带来更强大的解决方案。

热敏电阻系统评估

在概念化系统设计并了解预期的系统性能之后，设计人员的下一步是原型设计和验证设计性能。CN-0545是实验室电路参考设计，利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8评估板及其评估软件，为0.1°C精度热敏电阻提供测量数据。CN-0545中的电路使用10 kΩ、44031型NTC热敏电阻传感器，该传感器的额定测量温度范围为–50°C至+150°C，在更宽的温度范围内，0°C至+70°C和±1°C之间的精度为±0.1°C。®

图4显示了CN-0545的测量结果。该测量数据由AD7124-4/AD7124-8评估板捕获，该评估板包括热敏电阻演示模式，用于测量热敏电阻并使用传感器的斯坦哈特-哈特常数计算等效°C。该图显示了实际的性能结果。如果将其与误差预算计算器进行比较，实际结果可能比该工具提供的估计值更好。这种差异是由于该工具对所有参数使用最大值，因此它提供了电路的最坏情况分析。实际上，系统中使用的电子设备和组件的传感器漂移、初始精度和温度漂移并不总是处于其指定的最大值。

图4.热敏电阻温度精度测量，后置滤波器，低功耗模式，25 SPS。

提供这种灵活的经过验证的参考电路板对系统设计人员很有价值，因为它可以缩短设计周期并提供良好的电路技术。除硬件外，该软件还支持每个热敏电阻传感器的不同系统优化和校准技术，以满足市场需求，他们需要易于使用、高精度、高精度和可靠的信号链解决方案。

提供设计人员工具和硬件演示模式电路可以简化设计过程，但系统设计人员处理测量的方式不同，并且可能使用不同的控制器进行软件处理。为了进一步简化开发过程，可以使用简单的固件应用AD7124温度测量演示示例来生成自定义代码，可选择控制器板、软件平台、器件配置和热敏电阻等测量传感器。这个开源 Mbed 平台提供了支持超过 150+ 个控制器板的能力，无论是否经过修改。因此，它支持快速原型设计和更快的开发阶段。

结论

本文表明，设计基于热敏电阻的温度测量系统是一个具有挑战性的多步骤过程。为了简化系统设计人员的旅程，热敏电阻配置器和误差预算计算器以及虚拟Eval、评估板硬件和软件、Mbed固件和CN-0545可用于解决连接问题和整体误差预算等不同挑战，使用户的设计更上一层楼。

使用高度集成的低带宽Σ-Δ型ADC进一步减少了设计工作，因为它们提供了激励、调理和测量传感器所需的构建模块，同时消除了50 Hz/60 Hz抑制等问题。

这种集成水平，以及完整的系统附件或生态系统，将简化整个系统设计以及从概念到原型设计的成本和设计周期。

审核编辑：郭婷