嵌入溫度電路設(shè)計(jì)

很多的應(yīng)用不需要精確的溫度測(cè)量。精確的溫度測(cè)量是成本高的。降低一點(diǎn)精度要求，就會(huì)有很多可供選擇的成效方案，例如可選用：二極管、熱敏電阻、RTD（電阻溫度計(jì)）、熱電偶、硅溫度計(jì)等測(cè)溫方法。
在選擇溫度感測(cè)電路時(shí)，傳感器的成本比溫度范圍、穩(wěn)定性或精度更重要。實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)調(diào)理3種最經(jīng)濟(jì)的方法是用熱電偶、二極管和熱敏電阻。本文將對(duì)這3種經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫電路進(jìn)行描述。
熱電偶電路
圖1示出熱電偶電路和一種信號(hào)調(diào)理電路，其基本單元包括：
熱電偶網(wǎng)絡(luò)
模擬濾波器、增益單元
A/D變換器
微控制器 
 

在熱電偶網(wǎng)絡(luò)中，TC1是處于實(shí)際溫度測(cè)量點(diǎn)的熱電偶。TC2是和TC1相同型號(hào)的第二個(gè)熱電偶。TC1和TC2都是E型熱電偶。熱電偶TC3和TC4是硬件實(shí)現(xiàn)所需配件，它們連接TC1和TC2到PCB的銅線 。
4個(gè)熱電偶有3個(gè)放置在同溫單元中使它們保持在給定溫度。用模擬增益單元獲得所有4個(gè)熱電偶的等效輸出電壓并進(jìn)行濾波。增益單元有一個(gè)單電源CMOS放大器（MCP601），配置做為一個(gè)2階低通切比雪夫?yàn)V波器。放大器的輸出信號(hào)用12位A/D變換器（MCP3201）數(shù)字化。MCP3201輸出碼串行送到微控制器（PIC12C508），微控制器把來(lái)自熱電偶網(wǎng)絡(luò)的電壓變?yōu)橛脭z氏或華氏表示的溫度。
熱電偶由兩個(gè)不同的金屬構(gòu)成。在E型熱電偶中，兩種金屬是鉻鎳和康銅。熱電偶所產(chǎn)生的電壓通常稱之為EMF（電動(dòng)勢(shì)）電壓，它代表熱電偶兩端的溫度差。此電壓隨溫度變化，不用任何電流或電壓激勵(lì)。
熱電偶EMF電壓參照0C是很容易定義的。用圖1所示的感測(cè)電路，從TC1和TC4中扣除TC2和TC3的電壓。因?yàn)門C3和TC4的材料和溫度是相同的，所以這些結(jié)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)是零。TC2用于從測(cè)量點(diǎn)熱電偶（TC1）扣除同溫單元溫度誤差，使TC1的EMF電壓以0C為其準(zhǔn)。每個(gè)熱電偶溫度感測(cè)電路都需要第2個(gè)溫度電路消除PCB上由不希望熱電偶的引起的誤差。第二個(gè)溫度電路通常用增加一個(gè)熱敏電阻的簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)。
熱電偶所產(chǎn)生EMF電壓的范圍從幾微伏到幾十毫伏。此電壓是可重
復(fù)的，但是，是非線性的，可用查表法從系統(tǒng)中消除這種非線性。在信號(hào)調(diào)理電路中需要一個(gè)模擬增益級(jí)。假若在測(cè)量點(diǎn)的溫度范圍為250C~6000C，則MCP601放大器的濾波器/增益級(jí)合適的增益設(shè)置應(yīng)為104V/V。
二極管測(cè)溫電路
二極管測(cè)溫電路示于圖2.在此溫度感測(cè)元件是用IN4148(Fairchild公司)二極管。對(duì)于不需要高精度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，二極管是有用的、便宜的溫度感測(cè)器件。假若用恒流激勵(lì)它，則標(biāo)準(zhǔn)二極管(如IN4148)電壓隨溫度的變化是~5mv/0C。用電流激勵(lì)，二極管具有相當(dāng)好的線性電壓-溫度性能。電壓激勵(lì)（VDIODE）與跨接在二極管上隨溫度變化的電壓之比值越大，線性誤差就越小。表1列出3個(gè)電壓基準(zhǔn)，其中10V提供最好的線性度。應(yīng)當(dāng)注意，基準(zhǔn)電壓的變化改變流經(jīng)二極管的電流。因此，建議對(duì)于較高精度應(yīng)用應(yīng)采用精確電壓基準(zhǔn)。 
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表1 實(shí)現(xiàn)流經(jīng)IN4148二極管額定0.1uA電流所需合適的電阻值與二極管基準(zhǔn)電壓的關(guān)系

圖2中的溫度檢測(cè)電路采用A/D變換器?；镜腁/D變換器由兩部分電路組成一調(diào)制器和濾波器。功能的調(diào)制器部分用單電源放大器MCP601和R/C網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，此電路部分的電阻器設(shè)計(jì)方程是：
VR3-VIN(CM)=VRAO(1+R1/R3) (1)
VIN(P-P)=VRA3(P-P)(R1/R2) (2)
式中：
VIN(CM)=[VIN(max)-VIN(min)]/2+VIN(min)
=[625Mv(@-40C)-425mV(@85C)]/2+425mV
=525mV (3)
VBAO=加到比較器非倒相輸入的電壓
=VDD/2
=2.5V
VIN(P-P)=[(VIN(max)-VIN(min))
=625Mv(@-40C)-425Mv(@850C)
=200mV
VRA3(P-P)=VRA3(max)-VRA3(min)
=5V-0V
=5V
積分電路的功能用外部電容器(CINT)實(shí)現(xiàn)。此電路的積分輸出與系統(tǒng)基準(zhǔn)（RA2）進(jìn)行比較。
微控制器內(nèi)部比較器充當(dāng)1位數(shù)字轉(zhuǎn)換器，為微控制器內(nèi)數(shù)字濾波器程序提供數(shù)據(jù)。微控制器也為R/C網(wǎng)絡(luò)提供一反饋途徑。當(dāng)PIC16C622的RA3設(shè)置為高態(tài)時(shí)，RAO電壓增加直到比較器（CMCON<6>）觸發(fā)為低態(tài)為止。在該點(diǎn)，到RA3輸出的驅(qū)動(dòng)器從高態(tài)到低態(tài)轉(zhuǎn)換，而RAO減小直到比較器觸發(fā)為高態(tài)為止。然后，設(shè)置RA3為高態(tài)，而周期重復(fù)。當(dāng)該電路的調(diào)制器部分是周期性工作時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器記錄時(shí)間和比較器輸出的1對(duì)0的數(shù)。隨著時(shí)間，累積數(shù)字濾波器輸出給出多位變換結(jié)果。
在一穩(wěn)定的、預(yù)先確定的時(shí)間間隔內(nèi)取每次積分結(jié)果。一個(gè)10位變換需要210取樣或1024個(gè)取樣。對(duì)于給定的系統(tǒng)線性誤差，該電路的210變換結(jié)果實(shí)際是8位精度。假若微控制器采集所有1024個(gè)取樣需要20ms，則一個(gè)完整的變換需要20.48ms(0.48ms用于變換結(jié)束的程序輔助操作)。 [!--empirenews.page--]
簡(jiǎn)單的熱敏電阻方案
最簡(jiǎn)單的方案應(yīng)該使溫度傳感器盡可能的靠近微控制器。圖3是熱敏電阻測(cè)溫電路，圖中與標(biāo)準(zhǔn)薄膜電阻器并聯(lián)的熱敏電阻用做溫度感測(cè)元件。這種并聯(lián)組合在50C范圍內(nèi)具有±1.50C誤差的線性性能。圖3中RNTC||RPAR和CINT的R/C組合的上升時(shí)間與RREF和CINT的R/C組合的上升時(shí)間之比給出RNTC的被測(cè)電阻值。盡管此電路所選擇的微控制器不含內(nèi)部A/D變換器，但門脈沖輸入閾值電壓與微控制器時(shí)鐘組合起來(lái)用于計(jì)數(shù)熱敏電阻和外部電容器的上升時(shí)間。熱敏電阻有兩個(gè)基本類型：負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)型。NTC熱敏電阻最適合于精密溫度測(cè)量，PTC熱敏電阻適用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
利用NTC熱敏電阻的3個(gè)不同工作模式來(lái)滿足不同應(yīng)用。一種模式利用感測(cè)元件的電阻與溫度特性關(guān)系。其他兩種模式利用熱敏電阻的電壓與電流和電流持續(xù)時(shí)間的特性關(guān)系。
NTC熱敏電阻的電阻與溫度關(guān)系可用于精密溫度測(cè)量、控制和補(bǔ)償。這種模式依賴于工作在零功率條件下的熱敏電阻。這種條件意味著電流或電壓激勵(lì)不會(huì)影響熱敏電阻的白熱。
熱敏電阻的電阻與RTD元件相比(一般幾百歐姆)是相當(dāng)高的。熱敏電阻在25C額定值為1kΩ~10MΩ。用軟件或硬件技術(shù)或二者組合可以校準(zhǔn)NTC熱敏電阻的非線性度。用標(biāo)準(zhǔn)電阻器（如圖3所示）可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)硬件線性化。在此電路實(shí)現(xiàn)中，熱敏電阻與等效電阻器并聯(lián)。用PIC12C508執(zhí)行A/D變換，置GP1和GP2為高阻抗輸入。設(shè)置GPO為低態(tài)并做為輸出，故放電電容器（CINT）。一旦，CINT完全被放電，則PIC12C508中的碼字改變GPO到高阻抗輸入而GP1到高態(tài)做為輸出端口。在這種配置中，GP1傳導(dǎo)電流來(lái)充電CINT和并聯(lián)電阻RNTC||RPAR的R/C組合。在充電期間，微控制器計(jì)數(shù)GPO變?yōu)楦邞B(tài)前的時(shí)鐘周期數(shù)。在該狀態(tài)下測(cè)量熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的上升時(shí)間（tNTC）.一旦GP1和GP2再次設(shè)置為輸入，GP0設(shè)置為低態(tài)和做為輸出端口，則該計(jì)數(shù)（tNTC）存在存儲(chǔ)器中。此配置放電CINT。當(dāng)電容器被完全放電時(shí)，GP0再次變?yōu)檩斎?，但此時(shí)GP2設(shè)置為高態(tài)并做為輸出。用這種配置，微控制器計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)直到GP0輸入變?yōu)楦邞B(tài)為止。此新的計(jì)數(shù)表示RREF/CINT電路的上升時(shí)間值。 
 

圖3中R/C網(wǎng)絡(luò)的上升時(shí)間是：t=RCln(1-VTH/VDD) (7)
其中：
VTH:控制器輸入門GP0的閾值電壓
VDD:微控制器電源電壓
R:電路中的電阻器
C:電路中的電容器
假定VTH/VDD比是常是，則包含RREF的電路上升時(shí)間和包含RNTC||RPAR的電路關(guān)系是：
RNTC||RPAR=(tNTC/tREF)RREF (8)
或：
RNTC=( tNTC/RREFRPAR)/()
RPAR值應(yīng)等于熱敏電阻在50C溫度范圍中間點(diǎn)的值。例如，假若應(yīng)用具有25C~75C的溫度范圍，則一個(gè)10KΩ熱敏電阻在50C為~3.6KΩ。為了線性化該溫度范圍的熱敏電阻，則并聯(lián)電阻器（RPAR）應(yīng)等于3.6KΩ。一旦確定了并聯(lián)電阻值，則可很容易地選擇RREF。為使性能最佳，選擇基準(zhǔn)電阻器等于與其并聯(lián)的額定溫度下NTC熱敏電阻的阻值（RREF=1.8KΩ）。
在此電路中，變換精度不依賴于VDD和GP0端輸入選通閾值。另外，靠比較這兩個(gè)類似網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)使得電容器漏電和非線性引起的誤差最小。而電容器的值依賴于控制器的處理時(shí)間。為了達(dá)到最好結(jié)果，應(yīng)該用穩(wěn)定的、低漏電容器，如用聚丙烯或NPO陶瓷電容器。即使最好的電容器也呈現(xiàn)存儲(chǔ)現(xiàn)象，介質(zhì)吸收和電容器放電電壓一起確定該剩余電荷的大小。可使這種效應(yīng)最小的技術(shù)是每次放電電容器到同一微調(diào)點(diǎn)（VTH）。
結(jié)語(yǔ)
在很多應(yīng)用中，溫度感測(cè)元件的特性是要求高的。然而，在另一些應(yīng)用中，對(duì)傳感器元件的要求是不太嚴(yán)格的，這使得對(duì)傳感器的選擇比較寬。對(duì)于這些應(yīng)用，電子電路設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最重要因數(shù)。用微控制器和少量簡(jiǎn)單模擬元件可設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)的相當(dāng)高精度的測(cè)溫系統(tǒng)。（