正如本系列文章的第一篇文章所討論的那樣，設計和優(yōu)化基于熱敏電阻的應用解決方案面臨著不同的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括傳感器選擇和電路配置，這在上一篇文章中已經(jīng)討論過。其他挑戰(zhàn)包括測量優(yōu)化，包括 ADC 配置和選擇外部組件，同時確保 ADC 在規(guī)格范圍內運行，以及系統(tǒng)優(yōu)化以實現(xiàn)目標性能并確定與 ADC 和整個系統(tǒng)相關的誤差源。
熱敏電阻系統(tǒng)優(yōu)化
使用熱敏電阻配置器和誤差預算 計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。該工具以比例配置設計具有激勵電壓的熱敏電阻系統(tǒng)。它還允許客戶調整設置，例如傳感器類型、測量的溫度范圍、線性化和外部組件，如圖 1 所示。它確保 ADC 和熱敏電阻傳感器都在規(guī)格范圍內使用。因此，如果客戶選擇了不受支持的選項，該工具會標記這是一種錯誤情況。例如，如果客戶選擇的最大溫度值超出了特定熱敏電阻型號的工作范圍，則會顯示錯誤，如圖 2 所示。遵循推薦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誤差源，并且還可以優(yōu)化設計。請注意，該工具是圍繞AD7124-4 / AD7124-8設計的，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計考慮因素。
圖 1。熱敏電阻配置器。
圖 2。超出范圍的情況。
系統(tǒng)配置(激勵、增益和外部組件)
與 RTD 類似，熱敏電阻也容易自熱，因為當電流流過時電阻會耗散功率。因此，設計人員必須盡可能降低熱敏電阻的工作電流，以使其功耗不會對測量結果產(chǎn)生重大影響。首先，設計人員傾向于選擇較高的激勵電壓值來產(chǎn)生較高的輸出電壓，以便充分利用 ADC 的輸入范圍。然而，由于熱敏電阻傳感器具有負溫度系數(shù)，其電阻會隨著溫度升高而減小，因此流過它的高電流值會導致更高的功耗，從而導致自熱。
從好的方面來看，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產(chǎn)生從毫伏到伏的輸出電壓。因此，使用激勵電壓(例如 ADC 參考電壓值)就足夠了，并且它允許比率配置。通過將 PGA 增益設置為 1，該技術還可以確保整個熱敏電阻輸出電壓范圍或 ADC 模擬輸入上看到的電壓始終在 ADC 工作輸入范圍內。該工具使用 AD7124-4/AD7124-8 上提供的內部 2.5 V 基準電壓。當使用增益 1 時，PGA 也會斷電，從而降低總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8 還集成了模擬輸入緩沖器，允許在外部使用不受限制的電阻和/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) 濾波器，而不會增加任何誤差。但是，當在啟用模擬輸入緩沖器的情況下以 1 的增益使用 ADC 時，必須確保滿足正確操作所需的裕度。該工具還允許設計人員平衡外部元件的選擇，包括外部裕度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，并允許設計人員輸入任何類型的 NTC 熱敏電阻的標稱值和 beta (β) 或 Steinhart-Hart 常數(shù)。傳感器的精度、外部元件及其對系統(tǒng)誤差的貢獻以及傳感器使用的線性化技術的影響將在后面討論。
濾波和電源考慮
Sigma-delta ADC 使用數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的頻率響應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反映在采樣頻率周圍，因此需要在模擬域中使用抗混疊濾波器。由于 Sigma-delta ADC 固有地對模擬輸入信號進行過采樣，因此抗混疊濾波器的設計被簡化，因此一個簡單的(單極)RC 濾波器就足夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8 只需要與每個模擬輸入串聯(lián)一個 1 kΩ 電阻、從 AINP 到 AINM 連接一個 0.1 μF 電容以及從每個模擬輸入引腳到 AVSS 連接一個 0.01 μF 電容。
在大多數(shù)工業(yè)應用或過程控制中，額外的穩(wěn)健性是首要任務之一。系統(tǒng)可能會受到來自其鄰近組件或環(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，當轉換器在增益為 1 的非緩沖模式下運行時，輸入會直接進入調制器的采樣電容器，因此較大的 RC 值可能會導致增益誤差，因為 ADC 沒有足夠的時間在采樣時刻之間穩(wěn)定下來。緩沖模擬輸入可防止這些錯誤。
主電源的干擾也會影響測量結果。因此，當設備由主電源供電時，50 Hz/60 Hz 抑制也是系統(tǒng)要求之一。窄帶寬 Σ-Δ ADC(例如 AD7124-4/AD7124-8)的另一個好處是它提供靈活的數(shù)字濾波選項，可以將陷波設置為 50 Hz 和/或 60 Hz。
所選的濾波器類型以及編程的輸出數(shù)據(jù)速率會影響穩(wěn)定時間及其噪聲性能。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算分配高度依賴于最終應用。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。如果需要在合理的速度和合理的性能下限制功耗，則可以在中功率或低功耗模式下運行器件。
除了精度或性能之外，時間也是一個因素。在大多數(shù)應用中，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)，設計人員需要考慮通過數(shù)字濾波器的延遲。在多路復用 ADC 中，當啟用多個通道時，每次切換通道時都需要一個穩(wěn)定時間;因此，選擇具有較長穩(wěn)定時間的濾波器類型(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 濾波器可用于在較低的穩(wěn)定時間內提供合理的同時 50 Hz/60 Hz 抑制，從而提高吞吐率。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進行測試 和誤差預算計算器。這將生成預期的噪聲性能，并將饋送到下一節(jié)將要討論的系統(tǒng)誤差計算中。請注意，Virtual Eval 在線工具上提供了完整的輸出數(shù)據(jù)速率/FS 值/吞吐率選擇。Virtual Eval 顯示可用于評估 ADC 時序性能的不同場景的時序，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器。
錯誤預算計算
如上所述，熱敏電阻配置器和誤差預算計算器允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能。圖 3 所示的誤差預算計算器可幫助設計人員了解與 ADC 相關的誤差以及有無內部或系統(tǒng)校準的系統(tǒng)配置誤差。系統(tǒng)誤差餅圖指示系統(tǒng)的哪個部分是整個系統(tǒng)誤差的最大貢獻者。因此，客戶可以修改 ADC 或系統(tǒng)配置以實現(xiàn)最佳性能。
如圖 3 所示，ADC 引起的誤差并不是整個系統(tǒng)誤差的主要誤差因素。外部元件及其溫度系數(shù)或溫度漂移規(guī)格通常是在整個溫度范圍內工作時整個系統(tǒng)的主要誤差因素。
例如，如果我們將工具中的檢測電阻溫度系數(shù)從 10 ppm/°C 更改為 25 ppm/°C，您會發(fā)現(xiàn)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，以最大限度地減少任何可能的溫度漂移誤差。
AD7124-4/AD7124-8 提供不同的校準模式，可用于進一步減少測量誤差。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除標稱溫度下 ADC 的增益和失調誤差。請注意，該工具使用增益設置為 1。AD7124-4/AD7124-8 出廠時已校準為增益 1，由此產(chǎn)生的增益系數(shù)是設備上的默認增益系數(shù)。因此，該設備不支持在增益為 1 時進行進一步的內部滿量程校準。請注意，標稱溫度下的內部校準僅消除 AD7124-4/AD7124-8 的增益和失調誤差，而不會消除外部電路產(chǎn)生的增益和失調誤差以及任何漂移誤差。執(zhí)行系統(tǒng)校準可以消除外部誤差。在不同溫度點進行校準也可以改善漂移性能。然而，這會增加額外的成本和精力，并且可能不適合某些應用。
圖 3。熱敏電阻誤差預算計算器。
故障檢測
對于任何惡劣環(huán)境或以安全為首要考慮的應用，診斷功能正變得越來越重要，甚至是必需的。即使對于非安全設計，診斷也能增加穩(wěn)健性，確保設計的所有模塊都正常運行，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對外部元件實施診斷的需求，從而實現(xiàn)了更小、更簡單、更省時、更節(jié)省成本的解決方案。診斷包括：
· 檢查模擬引腳上的電壓水平，以確保其在指定的工作范圍內
· 參考電壓檢查
· 串行外設接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗 (CRC)
· 內存映射上的 CRC
· 信號鏈檢查
這些診斷可以帶來更為穩(wěn)健的解決方案。
熱敏電阻系統(tǒng)評估
在概念化系統(tǒng)設計并了解預期系統(tǒng)性能后，設計人員的下一步是制作原型并驗證設計性能。CN -0545是 Circuits from the Lab ®參考設計，利用EVAL-AD7124-4 / EVAL-AD7124-8評估板及其評估軟件為 0.1°C 精度的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，其額定測量范圍為 –50°C 至 +150°C，在 0°C 至 +70°C 之間的精度為 ±0.1°C，在更寬的溫度范圍內精度為 ±1°C。
圖 4 顯示了 CN-0545 的測量結果。該測量數(shù)據(jù)由 AD7124-4/AD7124-8 評估板捕獲，該評估板包含熱敏電阻演示模式，可測量熱敏電阻電阻并使用傳感器的 Steinhart-Hart 常數(shù)計算等效 °C。該圖顯示了實際性能結果。如果將其與誤差預算計算器進行比較，實際結果可能看起來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)都使用最大值，因此它提供了電路的最壞情況分析。實際上，系統(tǒng)中使用的電子元件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。
提供這種靈活且經(jīng)過驗證的參考電路板對系統(tǒng)設計人員來說非常有價值，因為它可以縮短設計周期并提供良好的電路技術。除了硬件之外，軟件還支持針對每個熱敏電阻傳感器的不同系統(tǒng)優(yōu)化和校準技術，以滿足市場對易于使用、高精度、高精確度和可靠的信號鏈解決方案的需求。
提供設計工具和硬件演示模式電路可以簡化設計過程，但系統(tǒng)設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行軟件處理。為了進一步簡化開發(fā)過程，可以使用簡單的固件應用程序AD7124 溫度 測量演示示例來生成自定義代碼，并選擇控制器板、軟件平臺、設備配置和熱敏電阻等測量傳感器。這個開源 Mbed 平臺能夠支持 150 多個控制器板(無論是否經(jīng)過修改)。因此，它可以實現(xiàn)快速原型設計和更快的開發(fā)階段。
結論
本文表明，設計基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)是一個具有挑戰(zhàn)性、多步驟的過程。為了簡化系統(tǒng)設計人員的流程，可以使用熱敏電阻配置器和誤差預算計算器以及 Virtual Eval、評估板硬件和軟件、Mbed 固件和 CN-0545 來解決各種挑戰(zhàn)，例如連接問題和總體誤差預算，從而幫助用戶將設計提升到新的水平。
使用高度集成的低帶寬 Σ-Δ ADC 可進一步減少設計工作量，因為它們提供了激勵、調節(jié)和測量傳感器所需的構建模塊，同時消除了 50 Hz/60 Hz 抑制等問題。
這種程度的集成，加上完整的系統(tǒng)附屬品或生態(tài)系統(tǒng)，將簡化整體系統(tǒng)設計以及從概念到原型設計的成本和設計周期。
下載文檔
