【導(dǎo)讀】溫度傳感器是電子行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，應(yīng)用范圍包括校準(zhǔn)、安全、暖通空調(diào) (HVAC) 等。盡管應(yīng)用廣泛，但是設(shè)計(jì)人員若要以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高精度的性能，溫度傳感器及其實(shí)現(xiàn)仍然極具挑戰(zhàn)性。
溫度傳感器是電子行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，應(yīng)用范圍包括校準(zhǔn)、安全、暖通空調(diào) (HVAC) 等。盡管應(yīng)用廣泛，但是設(shè)計(jì)人員若要以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高精度的性能，溫度傳感器及其實(shí)現(xiàn)仍然極具挑戰(zhàn)性。
溫度檢測的方法有許多種。最常見的方法是使用熱敏電阻、電阻溫度檢測器 (RTD)、熱電偶或硅溫度計(jì)等溫度傳感器。不過，選擇合適的傳感器只是解決方案的一部分。在此之后，所選傳感器必須連接信號(hào)鏈，該信號(hào)鏈不僅要保持信號(hào)完整性，還要精確補(bǔ)償特定檢測技術(shù)的獨(dú)有特性，以確保能夠提供精確的數(shù)字化溫度值。
本文介紹了一種 USB 供電電路解決方案來完成這項(xiàng)任務(wù)。該解決方案使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻，結(jié)合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模擬微控制器來精確監(jiān)測溫度。
NTC 熱敏電阻的特性
熱敏電阻是一種對(duì)溫度十分敏感的電阻器，可分為兩種類型：正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。多晶陶瓷 PTC 熱敏電阻具有較高的正溫度系數(shù)，常用于開關(guān)應(yīng)用。NTC 陶瓷半導(dǎo)體熱敏電阻具有較高的負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度升高而電阻值下降，因而適用于精密溫度測量。
NTC 熱敏電阻共有三種工作模式：電阻 - 溫度、電壓 - 電流和電流 - 時(shí)間。在利用電阻 - 溫度特性的工作模式下，熱敏電阻的檢測結(jié)果精度最高。
電阻 - 溫度電路將熱敏電阻配置為“零功率”狀態(tài)。“零功率”狀態(tài)假定器件的激勵(lì)電流或激勵(lì)電壓不會(huì)引起熱敏電阻的自熱現(xiàn)象。
Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 是一款典型 NTC 熱敏電阻，該器件電阻值為 4.7 k?，采用 0603 封裝，電阻 - 溫度特性具有高度非線性（圖 1）。
圖 1：典型 NTC 熱敏電阻的電阻 - 溫度特性具有高度非線性，因此設(shè)計(jì)人員必須設(shè)法使指定溫度范圍內(nèi)的這種非線性得到控制。（圖片來源：Bonnie Baker，根據(jù) Murata 提供的電阻值計(jì)算和繪制）
如圖 1 曲線所示，4.7 k? 熱敏電阻的電阻 - 溫度特性高度非線性。NTC 熱敏電阻值隨溫度下降的速率是一個(gè)常數(shù)，稱為 β（圖中未顯示）。對(duì)于 Murata 的 4.7 k? 熱敏電阻而言，β = 3500。
使用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和經(jīng)驗(yàn)三階多項(xiàng)式或查找表，可以在軟件中校正熱敏電阻的非線性響應(yīng)。
然而，有一種硬件技術(shù)效果更佳、應(yīng)用更簡單且成本更低，只需應(yīng)用于 ADC 之前，就可以解決 ±25℃ 溫度范圍內(nèi)的熱敏電阻線性化問題。
硬件線性化解決方案
實(shí)現(xiàn)熱敏電阻輸出初步線性化的簡單方法是，將熱敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻器（1%，金屬膜）和電壓源串聯(lián)。串聯(lián)的電阻值決定熱敏電阻電路線性響應(yīng)區(qū)間的中點(diǎn)。根據(jù)熱敏電阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 方程，可確定熱敏電阻的溫度（圖 2）。據(jù)證實(shí)，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。
圖 2：分壓器（RTH 和 R25）配置可使熱敏電阻響應(yīng)線性化。ADC0（ADC 輸入端）的線性范圍約為 50℃ 的溫度范圍。（圖片來源：Bonnie Baker）
為推導(dǎo)熱敏電阻的實(shí)際電阻值 RTH，首先要確定分壓器輸出 (VADC0)，然后使用 VADC0 求得 ADC 數(shù)字輸出十進(jìn)制代碼 DOUT，而 DOUT 取決于 ADC 位數(shù) (N)、ADC 最大輸入電壓 (VREF) 和 ADC 輸入電壓 (VADC0)。求解 RTH 的第三步，即最后一步是用 R25（25℃ 時(shí)的 RTH 值）乘以 ADC 代碼數(shù)與 ADC 數(shù)字輸出十進(jìn)制代碼的比值。第三步計(jì)算過程從下述等式 2 開始。
等式2
最后一步計(jì)算使用上述 Steinhart-Hart 方程，將熱敏電阻值轉(zhuǎn)換為開氏溫度。ADuC7023 精密模擬微控制器使用等式 4 求得傳感器溫度：
等式 4
其中：
T2 = 測量的熱敏電阻溫度（以 K 為單位）
T1 = 298 K (25℃)
β = 298 K 或 25℃ 時(shí)的熱敏電阻 β 參數(shù)。β = 3500
R25 = 298 K 或 25℃ 時(shí)的熱敏電阻值。R25 = 4.7 kΩ
RTH = 未知溫度時(shí)的熱敏電阻值，由等式 3 計(jì)算
圖 2 中，25℃ 時(shí)的熱敏電阻值 (RTH) 等于 4.7 k?。由于 R25 的阻值等于 25℃ 時(shí)的熱敏電阻值，因此分壓器的線性區(qū)間以 25℃ 為中心（圖 3）。
圖 3：4.7 k? 熱敏電阻與 4.7 k? 標(biāo)準(zhǔn)電阻器串聯(lián)的線性響應(yīng)，分壓器兩端電壓為 2.4 V。（圖片來源：Bonnie Baker，根據(jù) Murata 提供的電阻值計(jì)算和繪制）
圖 3 中，熱敏電阻串聯(lián)電路約在 0℃ 至 +50℃ 的有限溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)線性溫度響應(yīng)。在此范圍內(nèi)，溫度變化誤差為 ±1℃。線性化電阻值 (R25) 應(yīng)等于目標(biāo)溫度范圍中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱敏電阻值。
在 ±25℃ 的溫度范圍內(nèi)，該電路可實(shí)現(xiàn)的精度典型值為 12 位，熱敏電阻的標(biāo)稱溫度為 R25 的阻值。
基于 USB 的溫度監(jiān)測器
該電路解決方案的信號(hào)路徑始于低成本的 4.7 k? 熱敏電阻，然后連接 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。該微控制器集成四個(gè) 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、一個(gè)多通道 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和一個(gè) 1.2 V 內(nèi)部基準(zhǔn)源，以及 ARM7® 內(nèi)核、126 KB 閃存、8 KB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 和 UART、定時(shí)器、SPI 和兩個(gè) I2C 接口等各種數(shù)字外設(shè)（圖 4）。
圖 4：該溫度檢測電路使用 USB 接口進(jìn)行供電，使用 ADuC7034 微控制器的 I2C 接口進(jìn)行數(shù)字通信。（圖片來源：Analog Devices）
圖 4 中，電路的電源和接地都來自四線 USB 接口。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低壓差線性穩(wěn)壓器使用 5 V USB 電源產(chǎn)生 3.3 V 輸出。ADP3333 穩(wěn)壓輸出為 ADuC7023 的 DVDD 端供電。ADuC7023 的 AVDD 電源需要另接濾波器，如圖所示。此外，USB 電源與線性穩(wěn)壓器的 IN 引腳之間也需接入濾波器。
溫度數(shù)據(jù)交換也是通過 USB 接口的 D+ 和 D- 引腳實(shí)現(xiàn)。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 接口發(fā)送數(shù)據(jù)并接收配置命令。
該應(yīng)用使用了如下 ADuC7023 特性：
12 位 SAR ADC。
帶 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 內(nèi)部閃存用于運(yùn)行用戶代碼，以配置和控制 ADC、管理 USB 接口的通信以及處理熱敏電阻的 ADC 轉(zhuǎn)換。
I2C 接口用于與主機(jī) PC 通信。
兩個(gè)外部開關(guān)/按鈕（圖中未顯示）可強(qiáng)制器件進(jìn)入閃存引導(dǎo)模式：使 DOWNLOAD 保持低電平并切換 RESET 開關(guān)，ADuC7023 將進(jìn)入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下，利用 USB 接口連接器件相關(guān)的 I2CWSD 軟件工具，可以對(duì)內(nèi)部閃存重新編程。
VREF 是帶隙基準(zhǔn)。此基準(zhǔn)電壓可用作系統(tǒng)中其他電路的電壓基準(zhǔn)。各引腳連接的最小 0.1 μF 電容用于降噪。
ADuC7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)，采用 32 引腳芯片級(jí)封裝，因此整個(gè)電路占用的印刷電路板空間極小，有利于節(jié)省成本和空間。
雖然 ADuC7023 具有功能強(qiáng)大的 ARM7 內(nèi)核和高速 SAR ADC，但仍能提供低功耗解決方案。整個(gè)電路的典型功耗為 11 mA，ARM7 內(nèi)核時(shí)鐘速度達(dá) 5 MHz，主 ADC 用于測量外部熱敏電阻。在兩次溫度測量之間，可以關(guān)閉微控制器和/或 ADC 以進(jìn)一步節(jié)省功耗。
布局注意事項(xiàng)
圖 4 所示的信號(hào)處理系統(tǒng)很容易導(dǎo)致誤解，乍看之下，該系統(tǒng)僅包含三個(gè)有源器件，但是如此簡潔的布局中卻隱藏著一些問題值得注意。
例如，ADuC7023 微控制器是相當(dāng)復(fù)雜的模擬數(shù)字系統(tǒng)，需要特別注意接地規(guī)則。雖然該系統(tǒng)的模擬域頻率似乎“很慢”，但片上采樣保持 ADC 卻是高速多通道器件，采樣速率高達(dá) 1 MS/s，最大時(shí)鐘速度達(dá) 41.78 MHz。該系統(tǒng)的時(shí)鐘上升和下降時(shí)間只有數(shù)納秒，因此該應(yīng)用屬于高速應(yīng)用。
顯然，面對(duì)混合信號(hào)電路時(shí)需要特別注意。下述四點(diǎn)核對(duì)清單涵蓋了主要方面：
使用電解電容器
選擇較小的電容器
接地平面注意事項(xiàng)
可以選擇小型鐵氧體磁珠
該電路中常用 10 mF 至 100 mF 的大電解電容器，距離芯片不超過 2 英寸。此類電容器可充當(dāng)電荷儲(chǔ)存器，用于消除走線電感產(chǎn)生的瞬時(shí)電荷。
該電路中常用 0.01 mF 至 0.1 mF 的小電容，應(yīng)盡可能靠近器件的電源引腳放置。此類電容器可用于高頻噪聲的快速高效接地。
接地平面（去耦電容下方）可對(duì)高頻電流去耦，最大限度地減少 EMI/RFI 輻射。請(qǐng)選擇面積較大的低阻抗區(qū)域作為接地平面。為了最大限度地減小走線電感，電容器應(yīng)使用通孔或較短印制線接地。
除了圖 4 中的去耦電容外，USB 電纜的 EMI/RFI 保護(hù)也需要使用鐵氧體。該電路中使用的鐵氧體磁珠是 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T，100 MHz 時(shí)的阻抗為 1000 Ω。
總結(jié)
溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，但其設(shè)計(jì)要求卻始終給設(shè)計(jì)人員帶來艱巨挑戰(zhàn)——既要縮減成本和尺寸，又要提高檢測精度。考慮到這些要求，本文介紹了基于 USB 的低功耗商用熱敏電阻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用 Analog Devices 的小型 12 位 ADC 和高精度 ADuC7023 微控制器解決方案。這一組合成功使用電阻器來校正 NTC 熱敏電阻的非線性響應(yīng)，可精確檢測和監(jiān)視溫度。
