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2022-11-24 09:47:17
基于熱敏電阻的溫度檢測系統（下篇）：系統優化與評估
2022-11-24 09:47:17 來源: 電子創新網
作者：ADI應用工程師Jellenie Rodriguez和ADI工程師Mary McCarthy
【資料圖】
簡介
正如本系列文章上篇所討論的，設計和優化基于熱敏電阻的應用解決方案涉及到不同挑戰。這些挑戰包括上篇文中討論過的傳感器選擇和電路配置。其他挑戰有測量優化——包括ADC配置和選擇外部元件，同時確保ADC在規格范圍內運行以及系統優化，從而實現目標性能并確定與ADC和整個系統相關的誤差源。
熱敏電阻系統優化
通過熱敏電阻配置器和誤差預算 計算器等易于使用的工具，客戶可以輕松配置系統中的熱敏電阻，包括接線和連接圖。該工具以比率式配置設計具有激勵電壓的熱敏電阻系統。它還允許客戶調整傳感器類型、被測溫度范圍、線性化和外部元件等設置，如圖1所示。它確保ADC和熱敏電阻傳感器均在規格范圍內使用。因此，如果客戶選擇了不受支持的選項，該工具會標記這是一個錯誤條件。例如，如果客戶選擇的最大溫度值超出特定熱敏電阻型號的工作范圍，它就會顯示錯誤，如圖2所示。遵循推薦的范圍值同樣會確保系統配置符合傳感器和電子器件的工作條件。
圖1.熱敏電阻配置器
圖2.越界條件
該工具使用戶能夠了解不同的誤差源，并且還允許進行設計優化。請注意，該工具是圍繞AD7124-4/AD7124-8設計的，因此它還決定了可以連接到單個ADC的傳感器數量。為了了解該工具的重要性，下面討論熱敏電阻要考慮的不同設計因素。
系統配置（激勵、增益和外部元件）
與RTD類似，熱敏電阻也容易自發熱，因為當電流流過其中時，電阻會消耗功率。因此，設計人員必須讓熱敏電阻的工作電流保持在盡可能低的水平，以使其功耗不會對測量結果產生顯著影響。首先，設計人員傾向于選擇更高的激勵電壓值來產生更高的輸出電壓，以便充分利用ADC的輸入范圍。然而，熱敏電阻傳感器具有負溫度系數，其電阻會隨著溫度的升高而降低，因此流過它的電流值越大，其功耗越高，從而導致自發熱。
從好的方面來說，熱敏電阻不需要很高的激勵源值，因為在額定溫度范圍內，其較高的靈敏度特性可以產生從毫伏到伏特的輸出電壓。所以，使用ADC基準電壓值之類的激勵電壓就足夠了，并且它支持比率式配置。通過將PGA增益設置為1，該技術還能確保熱敏電阻整個輸出電壓范圍或ADC模擬輸入端的電壓始終處于ADC工作輸入范圍內。該工具使用AD7124-4/AD7124-8提供的內部2.5V基準電壓。當使用1倍增益時，PGA也關斷，從而減少總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8還集成了模擬輸入緩沖器，允許在外部使用不限大小的電阻和/或電容值，因此它們非常適合直接連接到外部電阻型傳感器（如熱敏電阻），或連接電磁兼容(EMC)濾波，而不會增加誤差。但是，若在增益為1時使用ADC且使能模擬輸入緩沖器，則有必要確保提供正確運行所需的裕量。該工具還允許設計人員平衡外部元件的選擇，包括外部裕量電阻的容許范圍、建議的檢測電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供常用熱敏電阻類型清單，并允許設計人員輸入任何類型NTC熱敏電阻的標稱值和beta (β)或Steinhart-Hart常數。傳感器的精度、外部元件及其對系統誤差的貢獻，以及傳感器所用線性化技術的影響，將在后面討論。
濾波和功耗考慮
Σ-Δ型ADC使用數字濾波器，數字濾波器的頻率響應在采樣頻率和采樣頻率倍數處提供0dB衰減。這意味著濾波器響應在采樣頻率周圍被反射，因此模擬域中需要一個抗混疊濾波器。Σ-Δ型ADC本身會對模擬輸入信號過采樣，因此抗混疊濾波器的設計得以簡化，一個簡單的（單極點）RC濾波器就夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8只要求每個模擬輸入串聯一個1kΩ電阻，AINP到AINM之間使用一個0.1μF電容，以及每個模擬輸入引腳到AVSS之間使用一個0.01μF電容。
在大多數工業應用或過程控制中，強大的穩健性是首要任務之一。系統可能會遇到來自其相鄰元器件或環境的噪聲、瞬變或其他干擾。出于EMC目的，模擬輸入端通常使用較大的R和C值。但請注意，當轉換器在增益為1的無緩沖模式下運行時，輸入直接進入調制器的采樣電容，因此較大RC值可能引起增益誤差，因為在兩個采樣時刻之間，ADC沒有足夠的時間完成建立。對模擬輸入進行緩沖可防止這些誤差。
來自交流電源的干擾也會影響測量結果。因此，當器件由交流電源供電時，50Hz/60Hz抑制也是系統要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄帶Σ-Δ型ADC的另一個優勢是它提供靈活的數字濾波選項，可以將陷波頻率設置為50Hz和/或60Hz。
所選濾波器類型以及所設置的輸出數據速率會影響建立時間及其噪聲性能。該器件還提供不同的功耗模式，用戶可以調整ADC以獲得最優功耗、速度或性能。系統的電流消耗或功耗預算分配高度依賴于最終應用。如果系統需要較高輸出數據速率和較好的噪聲性能，可以將器件配置為全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要限制功耗，則器件可以在中等或低功耗模式下運行。
除了精度或性能之外，時序也是一個因素。在大多數應用中，為了執行所有測量，需要滿足特定時間要求。如果使能多個通道（即使用多個傳感器），設計人員需要考慮通過數字濾波器的延遲。在多路復用ADC中，當使能多個通道時，每次切換通道都需要一個建立時間。因此，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率。在這種情況下，可使用后置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同時抑制，從而提高吞吐速率。所有濾波器選項和輸出數據速率選擇的子集可以通過熱敏電阻配置器和誤差預算計算器進行測試。這將產生期望噪聲性能，并將饋送到下一節將要討論的系統誤差計算中。請注意，輸出數據速率/FS值/吞吐速率的全部選擇可通過Virtual Eval在線工具獲得。Virtual Eval顯示了不同場景的時序，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器，都可以使用它來評估ADC的時序性能。
誤差預算計算
如前所述，熱敏電阻配置器和誤差預算計算器允許用戶修改系統配置以獲得最優性能。圖3所示的誤差預算計算器可幫助設計人員了解與ADC相關的誤差，以及來自系統配置的誤差，無論是否進行內部或系統校準。系統錯誤餅圖指示系統的哪個部分對系統總誤差的貢獻最大。因此，客戶可以修改ADC或系統配置以實現最優性能。
圖3.熱敏電阻誤差預算計算器
如圖3所示，ADC引起的誤差不是系統總誤差的重要貢獻因素。在全溫度范圍內工作時，外部元件及其溫度系數或溫度漂移規格通常是整個系統的主要誤差因素。
例如，如果我們在工具中將檢測電阻的溫度系數從10ppm/°C改為25ppm/°C，您會發現系統總誤差顯著增加。因此，必須選擇具有較好初始精度和較低溫度系數的檢測電阻，以使任何可能的溫度漂移誤差最小。
AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準模式，使用校準可進一步減少測量誤差。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除標稱溫度時的ADC增益和失調誤差。請注意，該工具使用的增益設置為1。AD7124-4/AD7124-8出廠校準增益為1，所得增益系數是器件的默認增益系數。因此，該器件在增益為1時不支持進一步的內部滿量程校準。注意，在標稱溫度進行的內部校準只能消除AD7124-4/AD7124-8的增益和失調誤差，而不能消除外部電路引起的增益和失調誤差以及任何漂移誤差。執行系統校準可消除外部誤差。在不同溫度點執行校準也可改善漂移性能。但是，這會增加成本和工作量，并且可能不適合某些應用。
故障檢測
對于惡劣環境或安全很重要的應用，診斷特性越來越重要，甚至必不可少。即使對于非安全設計，診斷也能提高穩健性，確保設計的所有模塊都正常運行，并且處理器僅接收和處理有效數據。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實現診斷的需求，使得解決方案尺寸更小、時間更短且成本更低。診斷包括：
?檢查模擬引腳上的電壓電平，確保其在額定工作范圍內
?基準電壓檢查
?串行外設接口(SPI)總線的循環冗余校驗(CRC)
?存儲器映射的CRC
?信號鏈檢查
這些診斷使得解決方案更強大。
熱敏電阻系統評估
對系統設計進行概念化并了解預期系統性能之后，設計師的下一步是制作原型并驗證設計的性能。CN-0545是Circuits from the Lab?參考設計，它利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8評估板及其評估軟件提供0.1°C精度的熱敏電阻的測量數據。CN-0545中的電路使用一個10kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器，其額定測量范圍為–50°C至+150°C，0°C至+70°C之間的精度為±0.1°C，更寬溫度范圍內的精度為±1°C。
圖4顯示了CN-0545的測量結果。該測量數據是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得的，該評估板包括熱敏電阻演示模式，可測量熱敏電阻的電阻并使用傳感器的Steinhart-Hart常數計算等效溫度(°C)。該圖顯示了實際性能結果。如果將其與誤差預算計算器進行比較，實際結果可能比該工具提供的估計值要好。這種差異是由于該工具使用了所有參數的最大值，因此它提供的是電路的最差情況分析。在實踐中，傳感器漂移、初始精度以及系統中使用的電子設備和元件的溫度漂移并不總是處于額定最大值。
圖4.熱敏電阻溫度精度測量，后置濾波器，低功耗模式，25SPS
提供這種經過驗證的靈活參考電路板對系統設計人員很有價值，因為它能縮短設計周期并提供良好的電路技術。除了硬件，軟件還支持針對每個熱敏電阻傳感器的不同系統優化和校準技術，以滿足市場對易于使用、高精度、精密、可靠信號鏈解決方案的需求。
為設計人員提供工具和硬件演示模式電路可以簡化設計過程，但系統設計人員有不同的測量處理辦法，并且可能使用不同的控制器進行軟件處理。為了進一步簡化開發過程，可以使用一個簡單的固件應用程序AD7124溫度測量演示示例來生成自定義代碼，它支持選擇控制器板、軟件平臺、器件配置和測量傳感器（如熱敏電阻）。這個開源Mbed平臺支持150多種經過修改或未經修改的控制器板。因此，它支持快速原型設計，開發工作將更加快捷。
結論
由此可見，設計基于熱敏電阻的溫度測量系統是一個具挑戰性的多步驟過程。為使系統設計人員的設計之旅更輕松，可以使用熱敏電阻配置器、誤差預算計算器、Virtual Eval、評估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545來應對不同的挑戰，例如連接問題和總誤差預算，將用戶的設計體驗提升到更高層次。
使用高集成度、低帶寬Σ-Δ型ADC可進一步減少設計工作，因為它們提供了激勵、調理、測量傳感器所需的構建模塊，同時消除了50Hz/60Hz抑制等問題。這種集成度加上完整的系統資料或生態系統，將能簡化整體系統設計，降低成本，縮短從概念到原型的設計周期。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在現代數字經濟的中心發揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術，將現實世界的現象轉化成有行動意義的洞察。ADI服務于全球12.5萬家客戶，在工業、通信、汽車與消費市場提供超過7.5萬種產品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請訪問：http://www.analog.com/cn。
關于作者
Jellenie Rodriguez是ADI公司精密轉換器技術部的一名應用工程師。她主要關注用于直流測量的精密Σ-Δ型ADC。她于2012年加入ADI公司，2011年畢業于San Sebastian College-Recoletos de Cavite，獲得電子工程學士學位。
Mary McCarthy是ADI公司應用工程師。她于1991年加入ADI公司，在愛爾蘭科克市的線性與精密技術應用部工作，主要關注精密Δ-Σ型轉換器。她于1991年畢業于科克大學，獲得電子與電氣工程學士學位。
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