【導讀】作為支持模擬和數字溫度傳感器的高級應用/系統工程師，在工作中經常被問到有關溫度傳感器應用的問題。其中有很多是關于模數轉換器（ADC）的，由于ADC在系統應用中的重要性，我花費很多時間在解釋ADC對系統精度有何意義，以及如何理解并實現所選傳感器的更大系統精度上。
溫度傳感器用于大功率開關電源設計中，需要監測功率晶體管和散熱器。電池充電系統需要溫度傳感器監測電池溫度，以便安全充電并優化電池壽命，家庭恒溫器則需要溫度傳感器監測房間溫度，以相應控制供暖，通風和空調系統。
這些應用中，常用的溫度測量方法是使用負溫度系數（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（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結合使用帶來的許多優勢。我們將探討NTC和PTC熱敏電阻的優缺點。
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被確定。你可以關注溫度傳感的ADC外設的具體情況。
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模擬數字轉換器。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。分辨率的位數以及參考電壓（VREF）將設置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。您會發現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，則可在應用程序中使用任意數量的樣本（N＃份樣本）來獲得設計所需的分辨率。Nyquist速率是您期望獲得實際溫度讀數的頻率。樣本總數必須比實際所需溫度結果快至少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，隨后可以在數字域中濾除這些噪聲，從而在感興趣的頻率范圍內進行最終的測量，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的單元，從而創建一個FIFO。該求平均值方法可應用于溫度轉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揮作用。
定點或浮點
微控制器可在內部具有浮點單元硬件，也可具有無需硬件即可進行浮點數學運算的固件庫。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記為“M4F”。與使用定點部件和使用浮點固件庫相比，MCU內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。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，結果將為“ 1”, 小數點以下的數字都不能用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分辨率的定點查找表，分辨率為一位數，這對于許多應用程序是可接受的。
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定的電壓。溫度變化時，熱敏電阻中的電阻也會發生變化，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
PTC是一種基于電流工作的硅器件。隨著溫度變化，傳導電流也隨之發生變化。大多數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
ADC測量電壓的變化，并將測量值轉換為溫度
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進行三點校準，以允許斜率補償和偏移誤差調整，從而在整個溫度范圍內保持精確。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提供穩定的溫度信息。
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的動態范圍。較低的動態范圍使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，較低的動態范圍將導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校準PTC。對于基于PTC的系統，在整個溫度范圍內，這將使溫度測量比典型的（同等指定的）基于NTC的系統更加精確。
比率度
比率度是描述捕獲的ADC值的術語。該值可與輸入和/或電源電壓的變化成比例地變化。當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，但不會改變ADC VREF 的電壓響應。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時間。如果測得的溫度響應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范圍。所有運算放大器都有潛在的失調誤差和增益誤差。選擇對精度和失調影響最小的運算放大器需要付出更多努力。校正失調和增益誤差所需的校準可能比升級到更高質量的ADC的成本更高。 一些MCU具有內部運算放大器。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的影響降至最低。
漂移
由于PTC熱敏電阻使用硅作為其基礎材料且具有線性斜率，因此，流經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的TCR / PPM，且PPM隨時間變化。
從ADC導出溫度
NTC熱敏電阻溫度是基于器件的電阻。許多設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，但是內插誤差會高一些。對于大多數設計人員而言，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來計算溫度的三階多項式。Steinhart Hart方程式已為更多設計人員所認可，因為多年前其最初為NTC創建。如今，大多數高精度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，熱敏電阻不是系統中唯一的組件。頂部電阻具有容差，且在整個溫度范圍內具有PPM，VCC在電壓以及溫度范圍內存在電壓誤差。系統總精度可能超出預期范圍，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整在整個溫度范圍內對其進行校正。大多數情況下，在組裝的最終編程過程中，偏移調整可于室溫下進行，且無需溫度箱或時間來進行校準。
結論
NTC和PTC因零件數量少、成本低都易于實現。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。一個簡易的失調校正是整個溫度范圍內所需的整個校準。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據表進行直接比較。PTC不是電阻組件，大多數供應商建議僅使用恒流源來驅動它們。德州儀器（TI）創建了一個設計工具，以向設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，供那些習慣使用查找表的人使用。使用新的設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定性。
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