優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正如本系列文章的第一篇文章所討論的那樣，設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于熱敏電阻的應(yīng)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(guò)。其他挑戰(zhàn)包括測(cè)量?jī)?yōu)化，包括 ADC 配置和選擇外部組件，同時(shí)確保 ADC 在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行，以及系統(tǒng)優(yōu)化以實(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

使用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。該工具以比例配置設(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)整設(shè)置，例如傳感器類型、測(cè)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(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)記這是一種錯(cuò)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(hào)的工作范圍，則會(huì)顯示錯(cuò)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(shè)計(jì)。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。為了理解該工具的重要性，讓我們來(lái)看看熱敏電阻中使用的不同設(shè)計(jì)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(lì)、增益和外部組件)

與 RTD 類似，熱敏電阻也容易自熱，因?yàn)楫?dāng)電流流過(guò)時(shí)電阻會(huì)耗散功率。因此，設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。首先，設(shè)計(jì)人員傾向于選擇較高的激勵(lì)電壓值來(lái)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(fù)溫度系數(shù)，其電阻會(huì)隨著溫度升高而減小，因此流過(guò)它的高電流值會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，從而導(dǎo)致自熱。

從好的方面來(lái)看，熱敏電阻不需要更高的激勵(lì)源值，因?yàn)槠涓叩撵`敏度特性可以在指定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生從毫伏到伏的輸出電壓。因此，使用激勵(lì)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(guò)將 PGA 增益設(shè)置為 1，該技術(shù)還可以確保整個(gè)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(nèi)。該工具使用 AD7124-4/AD7124-8 上提供的內(nèi)部 2.5 V 基準(zhǔn)電壓。當(dāng)使用增益 1 時(shí)，PGA 也會(huì)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(huì)增加任何誤差。但是，當(dāng)在啟用模擬輸入緩沖器的情況下以 1 的增益使用 ADC 時(shí)，必須確保滿足正確操作所需的裕度。該工具還允許設(shè)計(jì)人員平衡外部元件的選擇，包括外部裕度電阻的允許范圍和推薦的檢測(cè)電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供了常用熱敏電阻類型的列表，并允許設(shè)計(jì)人員輸入任何類型的 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)以及傳感器使用的線性化技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)被簡(jiǎn)化，因此一個(gè)簡(jiǎn)單的(單極)RC 濾波器就足夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8 只需要與每個(gè)模擬輸入串聯(lián)一個(gè) 1 kΩ 電阻、從 AINP 到 AINM 連接一個(gè) 0.1 μF 電容以及從每個(gè)模擬輸入引腳到 AVSS 連接一個(gè) 0.01 μF 電容。

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用或過(guò)程控制中，額外的穩(wěn)健性是首要任務(wù)之一。系統(tǒng)可能會(huì)受到來(lái)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(qǐng)注意，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在增益為 1 的非緩沖模式下運(yùn)行時(shí)，輸入會(huì)直接進(jìn)入調(diào)制器的采樣電容器，因此較大的 RC 值可能會(huì)導(dǎo)致增益誤差，因?yàn)?ADC 沒有足夠的時(shí)間在采樣時(shí)刻之間穩(wěn)定下來(lái)。緩沖模擬輸入可防止這些錯(cuò)誤。

主電源的干擾也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此，當(dāng)設(shè)備由主電源供電時(shí)，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(gè)好處是它提供靈活的數(shù)字濾波選項(xiàng)，可以將陷波設(shè)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(huì)影響穩(wěn)定時(shí)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(diào)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(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)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(yùn)行器件。

除了精度或性能之外，時(shí)間也是一個(gè)因素。在大多數(shù)應(yīng)用中，需要滿足特定的時(shí)間才能執(zhí)行所有測(cè)量。如果啟用了多個(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)啟用多個(gè)通道時(shí)，每次切換通道時(shí)都需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間;因此，選擇具有較長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)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(shí)間內(nèi)提供合理的同時(shí) 50 Hz/60 Hz 抑制，從而提高吞吐率。所有濾波器選項(xiàng)和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集都可以通過(guò)熱敏電阻配置器進(jìn)行測(cè)試 和誤差預(yù)算計(jì)算器。這將生成預(yù)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(jì)算中。請(qǐng)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(píng)估 ADC 時(shí)序性能的不同場(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。

錯(cuò)誤預(yù)算計(jì)算

如上所述，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)配置以獲得最佳性能。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)的誤差以及有無(wú)內(nèi)部或系統(tǒng)校準(zhǔn)的系統(tǒng)配置誤差。系統(tǒng)誤差餅圖指示系統(tǒng)的哪個(gè)部分是整個(gè)系統(tǒng)誤差的最大貢獻(xiàn)者。因此，客戶可以修改 ADC 或系統(tǒng)配置以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

如圖 3 所示，ADC 引起的誤差并不是整個(gè)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(gè)溫度范圍內(nèi)工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的主要誤差因素。

例如，如果我們將工具中的檢測(cè)電阻溫度系數(shù)從 10 ppm/°C 更改為 25 ppm/°C，您會(huì)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(cè)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(zhǔn)模式，可用于進(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)稱溫度下 ADC 的增益和失調(diào)誤差。請(qǐng)注意，該工具使用增益設(shè)置為 1。AD7124-4/AD7124-8 出廠時(shí)已校準(zhǔn)為增益 1，由此產(chǎn)生的增益系數(shù)是設(shè)備上的默認(rèn)增益系數(shù)。因此，該設(shè)備不支持在增益為 1 時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)。請(qǐng)注意，標(biāo)稱溫度下的內(nèi)部校準(zhǔn)僅消除 AD7124-4/AD7124-8 的增益和失調(diào)誤差，而不會(huì)消除外部電路產(chǎn)生的增益和失調(diào)誤差以及任何漂移誤差。執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可以消除外部誤差。在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)也可以改善漂移性能。然而，這會(huì)增加額外的成本和精力，并且可能不適合某些應(yīng)用。

圖 3。熱敏電阻誤差預(yù)算計(jì)算器。

故障檢測(cè)

對(duì)于任何惡劣環(huán)境或以安全為首要考慮的應(yīng)用，診斷功能正變得越來(lái)越重要，甚至是必需的。即使對(duì)于非安全設(shè)計(jì)，診斷也能增加穩(wěn)健性，確保設(shè)計(jì)的所有模塊都正常運(yùn)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(duì)外部元件實(shí)施診斷的需求，從而實(shí)現(xiàn)了更小、更簡(jiǎn)單、更省時(shí)、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(nèi)

· 參考電壓檢查

· 串行外設(shè)接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)

· 內(nèi)存映射上的 CRC

· 信號(hào)鏈檢查

這些診斷可以帶來(lái)更為穩(wěn)健的解決方案。

熱敏電阻系統(tǒng)評(píng)估

在概念化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并了解預(yù)期系統(tǒng)性能后，設(shè)計(jì)人員的下一步是制作原型并驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能。CN -0545是 Circuits from the Lab ®參考設(shè)計(jì)，利用EVAL-AD7124-4 / EVAL-AD7124-8評(píng)估板及其評(píng)估軟件為 0.1°C 精度的熱敏電阻提供測(cè)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(cè)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(nèi)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)由 AD7124-4/AD7124-8 評(píng)估板捕獲，該評(píng)估板包含熱敏電阻演示模式，可測(cè)量熱敏電阻電阻并使用傳感器的 Steinhart-Hart 常數(shù)計(jì)算等效 °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)果可能看起來(lái)比該工具提供的估計(jì)值更好。這種差異是由于該工具對(duì)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(shí)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(cè)量，后置濾波器，低功耗模式，25 SPS。

提供這種靈活且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的參考電路板對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值，因?yàn)樗梢钥s短設(shè)計(jì)周期并提供良好的電路技術(shù)。除了硬件之外，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、高精確度和可靠的信號(hào)鏈解決方案的需求。

提供設(shè)計(jì)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)人員處理測(cè)量的方式不同，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)化開發(fā)過(guò)程，可以使用簡(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，并選擇控制器板、軟件平臺(tái)、設(shè)備配置和熱敏電阻等測(cè)量傳感器。這個(gè)開源 Mbed 平臺(tái)能夠支持 150 多個(gè)控制器板(無(wú)論是否經(jīng)過(guò)修改)。因此，它可以實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)和更快的開發(fā)階段。

結(jié)論

本文表明，設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性、多步驟的過(guò)程。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的流程，可以使用熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器以及 Virtual Eval、評(píng)估板硬件和軟件、Mbed 固件和 CN-0545 來(lái)解決各種挑戰(zhàn)，例如連接問(wèn)題和總體誤差預(yù)算，從而幫助用戶將設(shè)計(jì)提升到新的水平。

使用高度集成的低帶寬 Σ-Δ ADC 可進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)工作量，因?yàn)樗鼈兲峁┝思?lì)、調(diào)節(jié)和測(cè)量傳感器所需的構(gòu)建模塊，同時(shí)消除了 50 Hz/60 Hz 抑制等問(wèn)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(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及從概念到原型設(shè)計(jì)的成本和設(shè)計(jì)周期。