溫度傳感器是電子行業(yè)中使用最廣泛的傳感器之一，其應(yīng)用范圍包括校準(zhǔn);安全;和暖氣，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）。盡管溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，但溫度傳感器及其實現(xiàn)方式可能會給設(shè)計人員帶來以最低成本實現(xiàn)最高精度性能的挑戰(zhàn)。

有許多方法可以感知溫度。最常用的方法是使用溫度傳感器，如熱敏電阻，電阻溫度檢測器（RTD），熱電偶或硅溫度計。但是，選擇正確的傳感器只是解決方案的一部分。然后，該傳感器必須連接到保持信號完整性的信號鏈，同時還要精確地補(bǔ)償特定傳感技術(shù)的獨特特性，以確保溫度的準(zhǔn)確數(shù)字表示。

本文介紹了一種USB供電的電路解決方案來完成這項任務(wù)。它采用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻與ADI公司ADuC7023BCPZ62I-R7精密模擬微控制器相結(jié)合，可精確監(jiān)控溫度。

NTC熱敏電阻特性

熱敏電阻是一種熱敏電阻，有兩種類型：正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和NTC熱敏電阻。多晶陶瓷PTC熱敏電阻具有高PTC，通常用于開關(guān)應(yīng)用。NTC陶瓷半導(dǎo)體熱敏電阻具有高電阻NTC，因此其電阻隨溫度升高而降低。這使其適用于精確溫度測量。

有三種NTC熱敏電阻工作模式：電阻-溫度，電壓-電流和電流-時間。利用熱敏電阻的電阻-溫度特性的模式提供了最高精度的結(jié)果。

電阻-溫度電路將熱敏電阻配置為“零功率”狀態(tài)?！傲愎β省睏l件假設(shè)器件的電流或電壓激勵不會導(dǎo)致熱敏電阻自熱。

在典型的NTC熱敏電阻中，例如采用0603封裝的MurataElectronics的NCP18XM472J03RB4.7千歐（kΩ）器件，電阻與溫度的響應(yīng)非常非線性（圖1）。

圖1中的圖表顯示了4.7kΩ熱敏電阻的高度非線性。NTC熱敏電阻的電阻隨溫度降低的速率是一個常數(shù)，稱為β（?）（圖中未顯示）。對于Murata的4.7kΩ熱敏電阻，β=3500。

可以使用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和經(jīng)驗三階多項式或查找表在軟件中完成熱敏電阻非線性響應(yīng)的校正。

然而，有一種合理，簡單且成本較低的硬件技術(shù)，在到達(dá)ADC之前應(yīng)用時，可以將熱敏電阻的線性化問題控制在±25°C的溫度范圍內(nèi)。

硬件線性化解決方案

熱敏電阻輸出的第一級線性化的簡單方法是將熱敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻（1％，金屬膜）和電壓源串聯(lián)。串聯(lián)電阻的值決定了熱敏電阻電路的線性區(qū)域的中值。熱敏電阻（RTH）和Steinhart-Hart方程的電阻值決定了熱敏電阻的溫度（圖2）。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Steinhart-Hart方程是確定NTC熱敏電阻溫度的最佳數(shù)學(xué)表達(dá)式。

通過定義分壓器的輸出（VADC0），可以推導(dǎo)出熱敏電阻電阻RTH的實際值。然后使用VADC0查找ADC的數(shù)字輸出十進(jìn)制代碼DOUT，其中DOUT取決于ADC位數(shù)（N），ADC最大輸入電壓（VREF）和ADC輸入電壓（VADC0）。找到RTH的第三步也是最后一步是將R25（或25°CRTH值）乘以ADC代碼數(shù)與ADC數(shù)字輸出十進(jìn)制代碼的比率。該第三步計算過程從下面的等式2開始。

計算的最后一步是使用上述Steinhart-Hart方程將熱敏電阻器電阻轉(zhuǎn)換為開爾文單位的溫度。ADuC7023精密模擬微控制器使用公式4確定傳感器溫度：

T2=測量的熱敏電阻溫度（以開爾文為單位）

T1=298開爾文（25°C）

β=熱敏電阻的β參數(shù)@298開爾文或25°C。β=3500

R25=熱敏電阻電阻@298開爾文或25°C。R25=4.7kΩ

RTH=熱敏電阻@未知溫度的電阻，由公式3計算

在圖2中，熱敏電阻（RTH）在25°C時等于4.7kΩ。由于R25的值等于熱敏電阻的25°C值，因此分壓器的線性區(qū)域以25°C為中心（圖3）。

在圖3中，串聯(lián)熱敏電阻系統(tǒng)在約0°C至+50°C的有限溫度范圍內(nèi)線性響應(yīng)溫度。在此范圍內(nèi)，Δ溫度誤差為±1°C。線性化電阻的值（R25）應(yīng)等于感興趣的溫度范圍中點的熱敏電阻的大小。

該電路通常在±25°C溫度范圍內(nèi)獲得12位精度，熱敏電阻的標(biāo)稱溫度為R25值。

基于USB的溫度監(jiān)控器

電路解決方案中的信號路徑始于低成本4.7kΩ熱敏電阻，然后是ADI公司的低成本ADuC7023微控制器。微控制器集成了四個12位的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），多信道12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，和一個1.2伏的內(nèi)部參考，以及一個ARM7?芯，126千字節(jié)閃存，8Kbytes靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）和各種數(shù)字外設(shè)，如UART，定時器，SPI和兩個I2C接口（圖4）。

在圖4中，電路的電源和接地完全來自四線USB接口。ADI公司的ADP3333ARMZ-5-R7低壓差線性穩(wěn)壓器使用USB5V電源產(chǎn)生3.3V輸出。穩(wěn)壓ADP3333輸出提供ADuC7023的DVDD電壓。ADuC7023的AVDD電源需要??額外的濾波，如圖所示。線性穩(wěn)壓器還在USB電源和IN引腳之間有一個濾波器。

溫度數(shù)據(jù)的交換也通過USBD+和D-接口引腳。ADuC7023能夠使用I2C協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。該應(yīng)用電路使用雙線I2C接口傳輸數(shù)據(jù)并接收配置命令。

此應(yīng)用程序使用以下ADuC7023功能：

12位SARADC

帶有SRAM的ArmARM7TDMI。集成的62KB閃存可運行用戶代碼，用于配置和控制ADC，管理USB接口上的通信以及處理來自熱敏電阻傳感器的ADC轉(zhuǎn)換。

I2C終端是主機(jī)PC的通信接口。

兩個外部開關(guān)\按鈕（未顯示）強(qiáng)制器件進(jìn)入閃存啟動模式：通過保持低電平并切換RESET開關(guān)，ADuC7023進(jìn)入啟動模式而不是正常用戶模式。內(nèi)部閃存可以通過設(shè)備相關(guān)的I2CWSD軟件工具利用USB接口在引導(dǎo)模式下重新編程。

VREF是帶隙參考。該參考電壓可用于系統(tǒng)中的其他電路參考。最小0.1微法（μF）電容連接到這些引腳以降低噪聲。

由于ADuC7023采用小尺寸（5mm×5mm）32引腳芯片級封裝，整個電路適用于印刷電路板極小的部分，節(jié)省了成本和空間。

ADuC7023提供低功耗解決方案，即使它具有強(qiáng)大的ARM7內(nèi)核和高速SARADC。整個電路通常消耗11毫安（mA），ARM7內(nèi)核運行在5兆赫茲（MHz），主ADC測量外部熱敏電阻。可以在溫度測量之間關(guān)閉微控制器和/或ADC，以進(jìn)一步節(jié)省功耗。

布局考慮因素

圖4中所示的信號處理系統(tǒng)令人驚訝地具有欺騙性。從鳥瞰圖來看，該系統(tǒng)僅包含三個有源設(shè)備。但隱藏在這種簡單性中的是一些有趣的布局挑戰(zhàn)。

例如，ADuC7023微控制器是一個復(fù)雜的模擬和數(shù)字系統(tǒng)，需要特別注意接地規(guī)則。雖然該系統(tǒng)在模擬域中似乎“緩慢移動”，但其板載采樣保持ADC是一種快速多通道器件，以每秒1兆樣本的速率采樣，具有最大時鐘速度41.78MHz。在該系統(tǒng)中，時鐘的上升和下降時間是幾納秒。這些速度將此應(yīng)用程序置于高速類別中。

顯然，混合信號電路需要特別注意。這是一個包含關(guān)鍵方面的四點清單：

使用電解電容器

選擇較小的電容器

地平面考慮因素

可選的小鐵氧體磁珠

通常使用大型電解電容器，其值在10mF至100mF之間，距離芯片不超過2英寸。這些電容充當(dāng)電荷儲存器，以適應(yīng)通過電源走線電感產(chǎn)生的瞬時充電需求。

電路中較小的電容（通常為0.01mF至0.1mF）盡可能靠近器件的電源引腳放置。這些電容器的目的是快速，迅速地將高頻噪聲發(fā)送到地。

接地電容位于去耦電容下方，可解耦高頻電流，并最大限度地降低EMI/RFI發(fā)射。它應(yīng)該由一個大的低阻抗區(qū)域組成。為了使電感最小化，電容器與地的連接是通過通孔或短跡線。

除了圖4的去耦電容外，USB電纜的EMI/RFI保護(hù)還需要使用鐵氧體。該電路中的鐵氧體磁珠是TaiyoYuden的BK2125HS102-T，在100MHz時阻抗為1000Ω。

結(jié)論

溫度傳感器是最廣泛使用的傳感器之一，但設(shè)計要求繼續(xù)挑戰(zhàn)設(shè)計師降低成本和尺寸，同時提高傳感精度。考慮到這些因素，本文描述了基于USB的低功耗商用熱敏電阻系統(tǒng)的實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用ADI公司的小型12位ADC和高精度ADuC7023微控制器解決方案。該組合成功地使用電阻器來馴服具有非線性行為的NTC熱敏電阻，以準(zhǔn)確地感測和監(jiān)測溫度。