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快速创建基于热敏电阻的精确温度检测电路

热敏电阻 NTC热敏电阻,村田电阻 作者:Bonnie Baker 来源:Digikey 发布时间:2019-07-27 09:56:58   浏览:16


温度传感器是电子行业中应用最广泛的传感器之一,应用范围包括校准、安全、暖通空调 (HVAC) 等。最常见的方法是使用热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)、热电偶或硅温度计等温度传感器。不过,选择合适的传感器只是解决方案的一部分。在此之后,所选传感器必须连接信号链,该信号链不仅要保持信号完整性,还要精确补偿特定检测技术的独有特性,以确保能够提供精确的数字化温度值。

本文给大家介绍了一种 USB 供电电路解决方案来完成这项任务。该解决方案使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻,结合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模拟微控制器来精确监测温度。

NTC 热敏电阻的特性
热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器,可分为两种类型:正温度系数 (PTC) 热敏电阻和负温度系数 (NTC) 热敏电阻。多晶陶瓷 PTC 热敏电阻具有较高的正温度系数,常用于开关应用。NTC 陶瓷半导体热敏电阻具有较高的负温度系数,随着温度升高而电阻值下降,因而适用于精密温度测量。

NTC 热敏电阻共有三种工作模式:电阻 - 温度、电压 - 电流和电流 - 时间。在利用电阻 - 温度特性的工作模式下,热敏电阻的检测结果精度最高。

电阻 - 温度电路将热敏电阻配置为“零功率”状态。“零功率”状态假定器件的激励电流或激励电压不会引起热敏电阻的自热现象。

Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 是一款典型 NTC 热敏电阻,该器件电阻值为 4.7 kΩ,采用 0603 封装,电阻 - 温度特性具有高度非线性(图 1)。

典型 村田NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性

图 1:典型 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性,因此设计人员必须设法使指定温度范围内的这种非线性得到控制。(图片来源:Bonnie Baker,根据 Murata 提供的电阻值计算和绘制)

如图 1 曲线所示,4.7 kΩ 热敏电阻的电阻 - 温度特性高度非线性。NTC 热敏电阻值随温度下降的速率是一个常数,称为 β(图中未显示)。对于 Murata 的 4.7 kΩ 热敏电阻而言,β = 3500。

使用高分辨率模数转换器 (ADC) 和经验三阶多项式或查找表,可以在软件中校正热敏电阻的非线性响应。

然而,有一种硬件技术效果更佳、应用更简单且成本更低,只需应用于 ADC 之前,就可以解决 ±25℃ 温度范围内的热敏电阻线性化问题。

硬件线性化解决方案
实现热敏电阻输出初步线性化的简单方法是,将热敏电阻与标准电阻器(1%,金属膜)和电压源串联。串联的电阻值决定热敏电阻电路线性响应区间的中点。根据热敏电阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 方程,可确定热敏电阻的温度(图 2)。据证实,Steinhart-Hart 方程是确定 NTC 热敏电阻温度的最佳数学表达式。

图 2:分压器(RTH 和 R25)配置可使热敏电阻响应线性化

图 2:分压器(RTH 和 R25)配置可使热敏电阻响应线性化。ADC0(ADC 输入端)的线性范围约为 50℃ 的温度范围。(图片来源:Bonnie Baker)

为推导热敏电阻的实际电阻值 RTH,首先要确定分压器输出 (VADC0),然后使用 VADC0 求得 ADC 数字输出十进制代码 DOUT,而 DOUT 取决于 ADC 位数 (N)、ADC 最大输入电压 (VREF) 和 ADC 输入电压 (VADC0)。求解 RTH 的第三步,即最后一步是用 R25(25℃ 时的 RTH 值)乘以 ADC 代码数与 ADC 数字输出十进制代码的比值。第三步计算过程从下述等式 2 开始。

等式2

最后一步计算使用上述 Steinhart-Hart 方程,将热敏电阻值转换为开氏温度。ADuC7023 精密模拟微控制器使用等式 4 求得传感器温度:

等式4

等式 4

其中:

T2 = 测量的热敏电阻温度(以 K 为单位)

T1 = 298 K (25℃)

β = 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻 β 参数。β = 3500

R25 = 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻值。R25 = 4.7 kΩ

RTH = 未知温度时的热敏电阻值,由等式 3 计算

图 2 中,25℃ 时的热敏电阻值 (RTH) 等于 4.7 kΩ。由于 R25 的阻值等于 25℃ 时的热敏电阻值,因此分压器的线性区间以 25℃ 为中心(图 3)。

图 3:4.7 kΩ 村田热敏电阻与 4.7 kΩ 标准电阻器串联的线性响应

图 3:4.7 kΩ 热敏电阻与 4.7 kΩ 标准电阻器串联的线性响应,分压器两端电压为 2.4 V。(图片来源:Bonnie Baker,根据 Murata 提供的电阻值计算和绘制)

图 3 中,热敏电阻串联电路约在 0℃ 至 +50℃ 的有限温度范围内可实现线性温度响应。在此范围内,温度变化误差为 ±1℃。线性化电阻值 (R25) 应等于目标温度范围中点对应的热敏电阻值。

在 ±25℃ 的温度范围内,该电路可实现的精度典型值为 12 位,热敏电阻的标称温度为 R25 的阻值。

基于 USB 的温度监测器
该电路解决方案的信号路径始于低成本的 4.7 kΩ 热敏电阻,然后连接 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。该微控制器集成四个 12 位数模转换器 (DAC)、一个多通道 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和一个 1.2 V 内部基准源,以及 ARM7® 内核、126 KB 闪存、8 KB 静态随机存取存储器 (SRAM) 和 UART、定时器、SPI 和两个 I2C 接口等各种数字外设(图 4)。

图 4:该温度检测电路使用 USB 接口进行供电

图 4:该温度检测电路使用 USB 接口进行供电,使用 ADuC7034 微控制器的 I2C 接口进行数字通信。(图片来源:Analog Devices)

图 4 中,电路的电源和接地都来自四线 USB 接口。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低压差线性稳压器使用 5 V USB 电源产生 3.3 V 输出。ADP3333 稳压输出为 ADuC7023 的 DVDD 端供电。ADuC7023 的 AVDD 电源需要另接滤波器,如图所示。此外,USB 电源与线性稳压器的 IN 引脚之间也需接入滤波器。

温度数据交换也是通过 USB 接口的 D+ 和 D- 引脚实现。ADuC7023 能够使用 I2C 协议发送和接收数据。该应用电路使用双线 I2C 接口发送数据并接收配置命令。

该应用使用了如下 ADuC7023 特性:

  • 12 位 SAR ADC。
  • 带 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 内部闪存用于运行用户代码,以配置和控制 ADC、管理 USB 接口的通信以及处理热敏电阻的 ADC 转换。
  • I2C 接口用于与主机 PC 通信。
  • 两个外部开关/按钮(图中未显示)可强制器件进入闪存引导模式:使 DOWNLOAD 保持低电平并切换 RESET 开关,ADuC7023 将进入引导模式,而不是正常的用户模式。在引导模式下,利用 USB 接口连接器件相关的 I2CWSD 软件工具,可以对内部闪存重新编程。
  • VREF 是带隙基准。此基准电压可用作系统中其他电路的电压基准。各引脚连接的最小 0.1 μF 电容用于降噪。

ADuC7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm),采用 32 引脚芯片级封装,因此整个电路占用的印刷电路板空间极小,有利于节省成本和空间。

虽然 ADuC7023 具有功能强大的 ARM7 内核和高速 SAR ADC,但仍能提供低功耗解决方案。整个电路的典型功耗为 11 mA,ARM7 内核时钟速度达 5 MHz,主 ADC 用于测量外部热敏电阻。在两次温度测量之间,可以关闭微控制器和/或 ADC 以进一步节省功耗。

布局注意事项
图 4 所示的信号处理系统很容易导致误解,乍看之下,该系统仅包含三个有源器件,但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。

例如,ADuC7023 微控制器是相当复杂的模拟数字系统,需要特别注意接地规则。虽然该系统的模拟域频率似乎“很慢”,但片上采样保持 ADC 却是高速多通道器件,采样速率高达 1 MS/s,最大时钟速度达 41.78 MHz。该系统的时钟上升和下降时间只有数纳秒,因此该应用属于高速应用。

显然,面对混合信号电路时需要特别注意。下述四点核对清单涵盖了主要方面:

  1. 使用电解电容器
  2. 选择较小的电容器
  3. 接地平面注意事项
  4. 可以选择小型铁氧体磁珠

该电路中常用 10 mF 至 100 mF 的大电解电容器,距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可充当电荷储存器,用于消除走线电感产生的瞬时电荷。

该电路中常用 0.01 mF 至 0.1 mF 的小电容,应尽可能靠近器件的电源引脚放置。此类电容器可用于高频噪声的快速高效接地。

接地平面(去耦电容下方)可对高频电流去耦,最大限度地减少 EMI/RFI 辐射。请选择面积较大的低阻抗区域作为接地平面。为了最大限度地减小走线电感,电容器应使用通孔或较短印制线接地。

除了图 4 中的去耦电容外,USB 电缆的 EMI/RFI 保护也需要使用铁氧体。该电路中使用的铁氧体磁珠是 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T,100 MHz 时的阻抗为 1000 Ω。

总结
温度传感器是应用最广泛的传感器之一,但其设计要求却始终给设计人员带来艰巨挑战——既要缩减成本和尺寸,又要提高检测精度。考虑到这些要求,本文介绍了基于 USB 的低功耗商用热敏电阻系统实现方法。该系统采用 Analog Devices 的小型 12 位 ADC 和高精度 ADuC7023 微控制器解决方案。这一组合成功使用电阻器来校正 NTC 热敏电阻的非线性响应,可精确检测和监视温度。

以上是 USB 的低功耗商用热敏电阻系统实现方法的简单介绍,欢迎咨询村田代理-深圳颖特新科技;颖特新作为村田代理商,将竭尽全力为您服务,咨询QQ2360583608,电话:0755-82591179。

编辑:amy  最后修改时间:2019-07-27