优化基于热敏电阻的温度传感系统设计

正如本系列文章的第一篇文章所讨论的那样，设计和优化基于热敏电阻的应用解决方案面临着不同的挑战。这些挑战包括传感器选择和电路配置，这在上一篇文章中已经讨论过。其他挑战包括测量优化，包括 ADC 配置和选择外部组件，同时确保 ADC 在规格范围内运行，以及系统优化以实现目标性能并确定与 ADC 和整个系统相关的误差源。

热敏电阻系统优化

使用热敏电阻配置器和误差预算 计算器等易于使用的工具，客户可以轻松配置系统中的热敏电阻，包括接线和连接图。该工具以比例配置设计具有激励电压的热敏电阻系统。它还允许客户调整设置，例如传感器类型、测量的温度范围、线性化和外部组件，如图 1 所示。它确保 ADC 和热敏电阻传感器都在规格范围内使用。因此，如果客户选择了不受支持的选项，该工具会标记这是一种错误情况。例如，如果客户选择的最大温度值超出了特定热敏电阻型号的工作范围，则会显示错误，如图 2 所示。遵循推荐的范围值将再次确保系统配置满足传感器和电子操作条件。

该工具使用户能够了解不同的误差源，并且还可以优化设计。请注意，该工具是围绕AD7124-4 / AD7124-8设计的，因此它还决定了可以连接到单个 ADC 的传感器数量。为了理解该工具的重要性，让我们来看看热敏电阻中使用的不同设计考虑因素。

图 1。热敏电阻配置器。

图 2。超出范围的情况。

系统配置(激励、增益和外部组件)

与 RTD 类似，热敏电阻也容易自热，因为当电流流过时电阻会耗散功率。因此，设计人员必须尽可能降低热敏电阻的工作电流，以使其功耗不会对测量结果产生重大影响。首先，设计人员倾向于选择较高的激励电压值来产生较高的输出电压，以便充分利用 ADC 的输入范围。然而，由于热敏电阻传感器具有负温度系数，其电阻会随着温度升高而减小，因此流过它的高电流值会导致更高的功耗，从而导致自热。

从好的方面来看，热敏电阻不需要更高的激励源值，因为其更高的灵敏度特性可以在指定的温度范围内产生从毫伏到伏的输出电压。因此，使用激励电压(例如 ADC 参考电压值)就足够了，并且它允许比率配置。通过将 PGA 增益设置为 1，该技术还可以确保整个热敏电阻输出电压范围或 ADC 模拟输入上看到的电压始终在 ADC 工作输入范围内。该工具使用 AD7124-4/AD7124-8 上提供的内部 2.5 V 基准电压。当使用增益 1 时，PGA 也会断电，从而降低总电流消耗。AD7124-4/AD7124-8 还集成了模拟输入缓冲器，允许在外部使用不受限制的电阻和/或电容值，非常适合直接连接到外部电阻型传感器(如热敏电阻)或连接电磁能力 (EMC) 滤波器，而不会增加任何误差。但是，当在启用模拟输入缓冲器的情况下以 1 的增益使用 ADC 时，必须确保满足正确操作所需的裕度。该工具还允许设计人员平衡外部元件的选择，包括外部裕度电阻的允许范围和推荐的检测电阻值及其容差和漂移性能。热敏电阻工具还提供了常用热敏电阻类型的列表，并允许设计人员输入任何类型的 NTC 热敏电阻的标称值和 beta (β) 或 Steinhart-Hart 常数。传感器的精度、外部元件及其对系统误差的贡献以及传感器使用的线性化技术的影响将在后面讨论。

滤波和电源考虑

Sigma-delta ADC 使用数字滤波器，数字滤波器的频率响应在采样频率和采样频率的倍数处提供 0 dB 的衰减。这意味着滤波器响应反映在采样频率周围，因此需要在模拟域中使用抗混叠滤波器。由于 Sigma-delta ADC 固有地对模拟输入信号进行过采样，因此抗混叠滤波器的设计被简化，因此一个简单的(单极)RC 滤波器就足够了。例如，AD7124-4/AD7124-8 只需要与每个模拟输入串联一个 1 kΩ 电阻、从 AINP 到 AINM 连接一个 0.1 μF 电容以及从每个模拟输入引脚到 AVSS 连接一个 0.01 μF 电容。

在大多数工业应用或过程控制中，额外的稳健性是首要任务之一。系统可能会受到来自其邻近组件或环境的噪声、瞬变或其他干扰。出于 EMC 目的，通常在模拟输入上使用较大的 R 和 C 值。但是，请注意，当转换器在增益为 1 的非缓冲模式下运行时，输入会直接进入调制器的采样电容器，因此较大的 RC 值可能会导致增益误差，因为 ADC 没有足够的时间在采样时刻之间稳定下来。缓冲模拟输入可防止这些错误。

主电源的干扰也会影响测量结果。因此，当设备由主电源供电时，50 Hz/60 Hz 抑制也是系统要求之一。窄带宽 Σ-Δ ADC(例如 AD7124-4/AD7124-8)的另一个好处是它提供灵活的数字滤波选项，可以将陷波设置为 50 Hz 和/或 60 Hz。

所选的滤波器类型以及编程的输出数据速率会影响稳定时间及其噪声性能。该器件还提供不同的功率模式，允许用户调整 ADC 以获得最佳功率、速度或性能。系统的电流消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用。如果系统需要更高的输出数据速率和更好的噪声性能，则可以将器件配置为全功率模式。如果需要在合理的速度和合理的性能下限制功耗，则可以在中功率或低功耗模式下运行器件。

除了精度或性能之外，时间也是一个因素。在大多数应用中，需要满足特定的时间才能执行所有测量。如果启用了多个通道(即使用多个传感器)，设计人员需要考虑通过数字滤波器的延迟。在多路复用 ADC 中，当启用多个通道时，每次切换通道时都需要一个稳定时间;因此，选择具有较长稳定时间的滤波器类型(即 sinc4 或 sinc3)将降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或 FIR 滤波器可用于在较低的稳定时间内提供合理的同时 50 Hz/60 Hz 抑制，从而提高吞吐率。所有滤波器选项和输出数据速率选择的子集都可以通过热敏电阻配置器进行测试 和误差预算计算器。这将生成预期的噪声性能，并将馈送到下一节将要讨论的系统误差计算中。请注意，Virtual Eval 在线工具上提供了完整的输出数据速率/FS 值/吞吐率选择。Virtual Eval 显示可用于评估 ADC 时序性能的不同场景的时序，无论是测量单个还是多个热敏电阻传感器。

错误预算计算

如上所述，热敏电阻配置器和误差预算计算器允许用户修改系统配置以获得最佳性能。图 3 所示的误差预算计算器可帮助设计人员了解与 ADC 相关的误差以及有无内部或系统校准的系统配置误差。系统误差饼图指示系统的哪个部分是整个系统误差的最大贡献者。因此，客户可以修改 ADC 或系统配置以实现最佳性能。

如图 3 所示，ADC 引起的误差并不是整个系统误差的主要误差因素。外部元件及其温度系数或温度漂移规格通常是在整个温度范围内工作时整个系统的主要误差因素。

例如，如果我们将工具中的检测电阻温度系数从 10 ppm/°C 更改为 25 ppm/°C，您会发现整体系统误差将显著增加。因此，选择具有更好初始精度和更低温度系数的检测电阻非常重要，以最大限度地减少任何可能的温度漂移误差。

AD7124-4/AD7124-8 提供不同的校准模式，可用于进一步减少测量误差。建议在上电或软件初始化时进行内部校准，以消除标称温度下 ADC 的增益和失调误差。请注意，该工具使用增益设置为 1。AD7124-4/AD7124-8 出厂时已校准为增益 1，由此产生的增益系数是设备上的默认增益系数。因此，该设备不支持在增益为 1 时进行进一步的内部满量程校准。请注意，标称温度下的内部校准仅消除 AD7124-4/AD7124-8 的增益和失调误差，而不会消除外部电路产生的增益和失调误差以及任何漂移误差。执行系统校准可以消除外部误差。在不同温度点进行校准也可以改善漂移性能。然而，这会增加额外的成本和精力，并且可能不适合某些应用。

图 3。热敏电阻误差预算计算器。

故障检测

对于任何恶劣环境或以安全为首要考虑的应用，诊断功能正变得越来越重要，甚至是必需的。即使对于非安全设计，诊断也能增加稳健性，确保设计的所有模块都正常运行，处理器仅接收和处理有效数据。AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式诊断功能减少了对外部元件实施诊断的需求，从而实现了更小、更简单、更省时、更节省成本的解决方案。诊断包括：

· 检查模拟引脚上的电压水平，以确保其在指定的工作范围内

· 参考电压检查

· 串行外设接口 (SPI) 总线上的循环冗余校验 (CRC)

· 内存映射上的 CRC

· 信号链检查

这些诊断可以带来更为稳健的解决方案。

热敏电阻系统评估

在概念化系统设计并了解预期系统性能后，设计人员的下一步是制作原型并验证设计性能。CN -0545是 Circuits from the Lab ®参考设计，利用EVAL-AD7124-4 / EVAL-AD7124-8评估板及其评估软件为 0.1°C 精度的热敏电阻提供测量数据。CN-0545 中的电路使用 10 kΩ、44031 型 NTC 热敏电阻传感器，其额定测量范围为 –50°C 至 +150°C，在 0°C 至 +70°C 之间的精度为 ±0.1°C，在更宽的温度范围内精度为 ±1°C。

图 4 显示了 CN-0545 的测量结果。该测量数据由 AD7124-4/AD7124-8 评估板捕获，该评估板包含热敏电阻演示模式，可测量热敏电阻电阻并使用传感器的 Steinhart-Hart 常数计算等效 °C。该图显示了实际性能结果。如果将其与误差预算计算器进行比较，实际结果可能看起来比该工具提供的估计值更好。这种差异是由于该工具对所有参数都使用最大值，因此它提供了电路的最坏情况分析。实际上，系统中使用的电子元件和组件的传感器漂移、初始精度和温度漂移并不总是处于其指定的最大值。

图 4. 热敏电阻温度精度测量，后置滤波器，低功耗模式，25 SPS。

提供这种灵活且经过验证的参考电路板对系统设计人员来说非常有价值，因为它可以缩短设计周期并提供良好的电路技术。除了硬件之外，软件还支持针对每个热敏电阻传感器的不同系统优化和校准技术，以满足市场对易于使用、高精度、高精确度和可靠的信号链解决方案的需求。

提供设计工具和硬件演示模式电路可以简化设计过程，但系统设计人员处理测量的方式不同，并且可能使用不同的控制器进行软件处理。为了进一步简化开发过程，可以使用简单的固件应用程序AD7124 温度 测量演示示例来生成自定义代码，并选择控制器板、软件平台、设备配置和热敏电阻等测量传感器。这个开源 Mbed 平台能够支持 150 多个控制器板(无论是否经过修改)。因此，它可以实现快速原型设计和更快的开发阶段。

结论

本文表明，设计基于热敏电阻的温度测量系统是一个具有挑战性、多步骤的过程。为了简化系统设计人员的流程，可以使用热敏电阻配置器和误差预算计算器以及 Virtual Eval、评估板硬件和软件、Mbed 固件和 CN-0545 来解决各种挑战，例如连接问题和总体误差预算，从而帮助用户将设计提升到新的水平。

使用高度集成的低带宽 Σ-Δ ADC 可进一步减少设计工作量，因为它们提供了激励、调节和测量传感器所需的构建模块，同时消除了 50 Hz/60 Hz 抑制等问题。

这种程度的集成，加上完整的系统附属品或生态系统，将简化整体系统设计以及从概念到原型设计的成本和设计周期。