利用常用的微控制器設(shè)計技術(shù)更大限度地提高熱敏電阻精度

作為支持模擬和數(shù)字溫度傳感器的高級應(yīng)用/系統(tǒng)工程師，在工作中經(jīng)常被問到有關(guān)溫度傳感器應(yīng)用的問題。其中有很多是關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的，由于ADC在系統(tǒng)應(yīng)用中的重要性，我花費很多時間在解釋ADC對系統(tǒng)精度有何意義，以及如何理解并實現(xiàn)所選傳感器的更大系統(tǒng)精度上。

溫度傳感器用于大功率開關(guān)電源設(shè)計中，需要監(jiān)測功率晶體管和散熱器。電池充電系統(tǒng)需要溫度傳感器監(jiān)測電池溫度，以便安全充電并優(yōu)化電池壽命，家庭恒溫器則需要溫度傳感器監(jiān)測房間溫度，以相應(yīng)控制供暖，通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。

這些應(yīng)用中，常用的溫度測量方法是使用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻。NTC是電阻器件，其電阻隨著溫度的改變而改變。為了滿足當(dāng)今溫度傳感器需求，一種更新、更高效、更準確的方法是使用硅基熱敏電阻，它是一種正溫度系數(shù)（PTC）器件。并且PTC不是電阻器件，而是電流模式器件；在電流模式下工作的硅提供基于溫度的線性輸出電壓。

無論您使用NTC還是PTC，您的設(shè)計都需要一個ADC和一個MCU來測量熱敏電阻的電壓輸出。本文的重點是將硅基熱敏電阻與MCU結(jié)合使用帶來的許多優(yōu)勢。我們將探討NTC和PTC熱敏電阻的優(yōu)缺點。

選擇微控制器

MCU選型具有諸多選擇，但很可能在選擇溫度傳感器時這個組件已經(jīng)被確定。你可以關(guān)注溫度傳感的ADC外設(shè)的具體情況。

選擇ADC

ADC有很多不同的類型。最受歡迎的兩種為逐次逼近寄存器（SAR）和 Delta-Sigma模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。Delta-Sigma提供高分辨率（8-32位分辨率），但采樣速度較慢。SAR類型最古老、最常見，分辨率為8-18位，采樣速度更快。對于溫度傳感，任意一種ADC都是不錯的選擇。

ADC分辨率

ADC的位數(shù)將決定分辨率而非精度。分辨率是ADC用來測量施加到ADC管腳的模擬電壓的步長。分辨率的位數(shù)以及參考電壓（VREF）將設(shè)置ADC的步長值。

比如，一個10位ADC將具有2^10=1024位，而3.3VDC的VREF將為每個ADC位提供3.3/1024=0.003226VDC的分辨率。一個16位ADC將具有65536位的總分辨率，每位分辨率為0.000005035VDC。ADC位數(shù)越多將意味著更高的測量分辨率。

請勿將精度與分辨率混淆。分辨率是指能夠看到被測電路值的變化。用于溫度測量的典型ADC的分辨率為12-16位。您會發(fā)現(xiàn)8位或10位ADC不能提供足夠的分辨率來查看熱敏電阻的精度，且具有較大的溫度步長，通常不可接受。

過采樣以獲得更高分辨率

過采樣是一種平均測量值的方法，可提高分辨率和信噪比。過采樣的工作原理是將多個帶有噪聲的溫度測量值相加，然后進行平均，得到一個更精確的數(shù)值。每超過8個過采樣，分辨率將增加2位。16次過采樣會將10位ADC的總分辨率提高到14位。如果噪聲高于Nyquist頻率，則可在應(yīng)用程序中使用任意數(shù)量的樣本（N＃份樣本）來獲得設(shè)計所需的分辨率。Nyquist速率是您期望獲得實際溫度讀數(shù)的頻率。樣本總數(shù)必須比實際所需溫度結(jié)果快至少N＃倍。

在使用過采樣方法時，在輸入信號中添加一些抖動噪聲可改善分辨率誤差。許多實際應(yīng)用中，噪聲小幅增加可大幅提高測量分辨率。在實踐中，將抖動噪聲置于測量感興趣的頻率范圍之外，隨后可以在數(shù)字域中濾除這些噪聲，從而在感興趣的頻率范圍內(nèi)進行最終的測量，同時具有更高的分辨率和更低的噪聲。

提供抖動噪聲的更佳方法是將熱敏電阻分壓器的Vcc和VREF.分開（將MCU的內(nèi)部VREF用于ADC）。請勿在電阻分壓器電壓檢測線上放置電容器。許多情況下，電路噪聲將足以使電阻分壓器的電壓抖動，以求平均值。抖動噪聲必須等于4位或更多位振幅。10位具有3.3VDC VREF的ADC將擁有0.0032VDC的電壓步長。抖動噪聲必須至少是預(yù)期溫度測量值上下的4位分辨率。10位ADC的最小抖動噪聲必須高于ADC的最低有效位（LSB）+/- 0.0128VDC（0.0256VDC p-p）或更高，以提供必要的電平，從而通過求平均值適當(dāng)提高ADC的位分辨率。

在ADC讀取一個位值并計算溫度后，您可將該值存儲在先進先出（FIFO）軟件陣列中。當(dāng)新值輸入陣列時，最舊的樣本將被丟棄，所有其他樣本都將移至下一個對應(yīng)的單元，從而創(chuàng)建一個FIFO。該求平均值方法可應(yīng)用于溫度轉(zhuǎn)換過程中使用的任何值，例如溫度、ADC位值、分壓器電壓，甚至計算得出的電阻。所有這些因素平均下來都將很好地發(fā)揮作用。

定點或浮點

微控制器可在內(nèi)部具有浮點單元硬件，也可具有無需硬件即可進行浮點數(shù)學(xué)運算的固件庫。32位非浮點器件的快速示例是Cortex “M4”器件，而帶有浮點的版本將標(biāo)記為“M4F”。與使用定點部件和使用浮點固件庫相比，MCU內(nèi)部具有浮點硬件使計算速度更快、功耗更低。

具有固定點意味著只能顯示大于零的整數(shù)。例如：如果1 + 1，則得到2，然后取平均值1。如果2 + 1，則得到3，然后取平均值1.5。在定點計算中，結(jié)果將為“ 1”, 小數(shù)點以下的數(shù)字都不能用1。用固定點測量溫度時，將只能看到和參考整數(shù)的溫度，即22°C，23°C，24°C。浮點可顯示更高分辨率的溫度，即22.1°C或22.15°C。使用浮點數(shù)既可更輕松計算溫度，也可使用帶有插值的查找表。您可使用具有單位數(shù)分辨率的定點查找表，分辨率為一位數(shù)，這對于許多應(yīng)用程序是可接受的。

選擇熱敏電阻

熱敏電阻有兩種類型，基本的NTC和PTC熱敏電阻。通常會將它們混為一談，被認為是同一類型的器件。這并不正確。NTC是一種隨溫度變化的電阻裝置。如圖1的分壓器電路圖中所示，在熱敏電阻頂部放置一個電阻并施加穩(wěn)定的電壓。溫度變化時，熱敏電阻中的電阻也會發(fā)生變化，從而改變頂部電阻兩端的壓降。分壓電阻器中心的輸出為模擬電壓，將由ADC測量。

圖1： 分壓電路實現(xiàn)

PTC是一種基于電流工作的硅器件。隨著溫度變化，傳導(dǎo)電流也隨之發(fā)生變化。大多數(shù)PTC的工作都使用恒流源進行，如圖2所示。電流改變時，由電流源提供的電壓改變。

圖2： 恒流電路實現(xiàn)

ADC測量電壓的變化，并將測量值轉(zhuǎn)換為溫度

你也可以使用PTC，就像NTC熱敏電阻與 RBias電阻一樣，見圖1。頂部電阻將如同電流源一樣工作。與相同條件下的NTC相比，PTC通常對溫度變化具有更好的熱敏性，且對較小的變化更敏感。PTC的另一個優(yōu)點是：

圖3： PTC熱敏電阻線性電阻斜率

NTC具有類似于下面圖4所示的非線性輸出，且可能需要在溫度室內(nèi)進行三點校準，以允許斜率補償和偏移誤差調(diào)整，從而在整個溫度范圍內(nèi)保持精確。NTC的非線性斜率無法在未校準的情況下在整個溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的溫度信息。

圖4： NTC熱敏電阻非線性電阻斜率

在正常條件下，NTC可以使用具有適當(dāng)溫度分辨率的12位ADC，尤其是在較冷溫度下，但是PTC通常需要14位ADC才能獲得足夠的分辨率，以查看溫度步長，從而顯示出 PTC的實際精度。對于所有溫度范圍內(nèi)的PTC都是如此，但NTC將需要一個14位ADC來測量60°C以上的較高溫度。

在PTC頂部增加一個RBias電阻會減小PTC的動態(tài)范圍。較低的動態(tài)范圍使ADC的電壓反饋降低，這就是PTC需要14位ADC分辨率的原因。但是，由于PTC的線性斜率，較低的動態(tài)范圍將導(dǎo)致較大的溫度誤差測量。室溫下的單點偏移將在整個溫度范圍內(nèi)校準PTC。對于基于PTC的系統(tǒng)，在整個溫度范圍內(nèi)，這將使溫度測量比典型的（同等指定的）基于NTC的系統(tǒng)更加精確。

比率度

比率度是描述捕獲的ADC值的術(shù)語。該值可與輸入和/或電源電壓的變化成比例地變化。當(dāng)提供給溫度感測電路的分壓器的VCC電源也提供用于VREF的電壓時（如下面圖5所示），則稱其為比率度。VCC的任何變化都將在分壓器和VREF處同等同時變化，從而影響ADC的測量值，讓這些源之間的潛在差分誤差最小。

圖5：比率度，由同一電源供電的電阻分壓器和VREF供電

濾波

在大多數(shù)情況下，無需在分壓器上使用電容器，在使用單端ADC的比率法時也不應(yīng)使用。對于差分的VREF/ADC輸入，您通常會在ADC輸入和VREF輸入之間放置一個電容。使用比率度方法時，對Vtemp 進行濾波將改變感測線上的電壓響應(yīng)，但不會改變ADC VREF 的電壓響應(yīng)。因此，增加一個濾波器會增加輸入到電阻分壓器的VREF 和VCC之間的差值，并增加誤差。

不使用比率度方法時，可以使用在分壓器處增加電容來濾除電壓，以消除噪聲和電壓變化，否則會在測量中產(chǎn)生誤差。添加一個電容器來濾除VREF也是一個不錯的方法。有時，VREF是內(nèi)部的，無需額外濾波。如果在Vtemp線上添加電容器，則會增加對溫度變化的響應(yīng)時間。如果測得的溫度響應(yīng)緩慢且無需立即采取措施，則濾波器可能會有所幫助。 另一種濾波器解決方案是在電阻分壓器頂部的VCC處增加一個電容器，以濾除系統(tǒng)中的噪聲以進行溫度測量。如果使用比率度，則在VREF 上添加相同的電容器，以使兩個電源的電壓變化保持一致。

緩沖器和放大器

放大器可用于增加熱敏電阻的動態(tài)范圍。所有運算放大器都有潛在的失調(diào)誤差和增益誤差。選擇對精度和失調(diào)影響最小的運算放大器需要付出更多努力。校正失調(diào)和增益誤差所需的校準可能比升級到更高質(zhì)量的ADC的成本更高。 一些MCU具有內(nèi)部運算放大器。許多DS ADC具有集成的PGA，正是為了這個目的（緩沖/增益）。一些SAR ADC也有這些功能。

有時會使用單位增益緩沖器來防止下垂或加載到電阻分壓器電路。當(dāng)ADC對熱敏電阻分壓器電路進行采樣時，來自ADC的浪涌電容會導(dǎo)致測量時幾毫伏的電壓下降。如果在ADC中具有足夠的分辨率，則會在溫度測量中觀察到這是一個錯誤。如果直接在ADC管腳上增加一個等于ADC電容10倍的電容器，則無需使用緩沖器就可以補償ADC電容的浪涌電流。典型的ADC電容為3pF-20pF。最好在ADC管腳附近添加一個30pF – 200pF的電容，這是一個很好的解決方案。它將對熱敏電阻的測量或熱響應(yīng)的影響降至最低。

漂移

由于PTC熱敏電阻使用硅作為其基礎(chǔ)材料且具有線性斜率，因此，流經(jīng)PTC的電流隨時間和溫度變化具有非常低的漂移。另一方面，NTC通常對所用材料的電阻具有溫度依賴性，且在高溫下會隨時間變化。NTC具有一個beta值，可定義整個溫度范圍內(nèi)的TCR / PPM，且PPM隨時間變化。

從ADC導(dǎo)出溫度

NTC熱敏電阻溫度是基于器件的電阻。許多設(shè)計人員使用查找表尋找特定溫度下的電阻。然后通過插值計算每個1°C溫度步長之間的實際溫度。為了更大程度地減少查找表的大小，您可使用5°C的查找表，但是內(nèi)插誤差會高一些。對于大多數(shù)設(shè)計人員而言，0.5°C的精度已足夠，因此帶有插值的5°C查找表就已足夠。

PTC基于流經(jīng)零件的實際電流，通常由公式定義。PTC基于三階或四階多項式。四階多項式的精度曲線擬合（R2）為1.0000％至0.9999％，以提供溫度信息。Steinhart Hart方程可由NTC和PTC使用，并采納使用自然對數(shù)來計算溫度的三階多項式。Steinhart Hart方程式已為更多設(shè)計人員所認可，因為多年前其最初為NTC創(chuàng)建。如今，大多數(shù)高精度PTC都依賴于四階多項式。

校準

所有NTC和PTC都需要校準才能精確。可購買一些具有更嚴格公差和Beta值的NTC。這似乎可以消除校準。但是，熱敏電阻不是系統(tǒng)中唯一的組件。頂部電阻具有容差，且在整個溫度范圍內(nèi)具有PPM，VCC在電壓以及溫度范圍內(nèi)存在電壓誤差。系統(tǒng)總精度可能超出預(yù)期范圍，且精度可能并不能達到期望。

NTC通常需要進行三點校準以調(diào)整斜率誤差，且需要進行偏移以校正總偏移誤差。因此，這需要溫度箱和時間來收集整個溫度的誤差。首先，由于硅的工藝偏差，PTC將具有較大的偏移誤差，但是可通過單個偏移調(diào)整在整個溫度范圍內(nèi)對其進行校正。大多數(shù)情況下，在組裝的最終編程過程中，偏移調(diào)整可于室溫下進行，且無需溫度箱或時間來進行校準。

結(jié)論

NTC和PTC因零件數(shù)量少、成本低都易于實現(xiàn)。但是，NTC可能將需要更昂貴的校準方法，且隨時間推移具有更高的漂移。

PTC是進行溫度測量的新方法。一個簡易的失調(diào)校正是整個溫度范圍內(nèi)所需的整個校準。PTC的精度非常精確，且溫度測量值隨時間和溫度變化具有很小的漂移。

需要明確的是，NTC和PTC不是同一類型的組件，且很難僅通過閱讀數(shù)據(jù)表進行直接比較。PTC不是電阻組件，大多數(shù)供應(yīng)商建議僅使用恒流源來驅(qū)動它們。德州儀器（TI）創(chuàng)建了一個設(shè)計工具，以向設(shè)計人員展示如何在電阻分壓器電路中使用其TMP61 系列 PTC。該工具包括一個計算阻力表，供那些習(xí)慣使用查找表的人使用。使用新的設(shè)計考慮因素和正確的計算方法，使得PTC比NTC具有更高的精度和穩(wěn)定性。

審核編輯：郭婷