室溫傳感是電子行業中應用最廣泛的傳感之一，應用范圍包括校驗、安全、暖通空調(HVAC)等。雖然應用廣泛，并且設計人員若要以最低的成本實現最高精度的性能，氣溫傳感及其實現依然極具挑戰性。
體溫測量的方式有許多種。最常見的方式是使用熱敏內阻、電阻體溫測量器(RTD)、熱電偶或硅室溫計等氣溫傳感。不過，選擇合適的傳感只是解決方案的一部份。在此以后，所選傳感必須聯接訊號鏈，該訊號鏈除了要保持訊號完整性，還要精確補償特定檢查技術的獨有特點，以確保才能提供精確的數字化氣溫值。
本文介紹了一種USB供電電路解決方案來完成這項任務。該解決方案使用負氣溫系數(NTC)熱敏內阻電阻的測量如何引入，結合的-R7精密模擬微控制器來精確檢測體溫。
NTC熱敏內阻的特點
熱敏內阻是一種對濕度非常敏感的阻值器，可分為兩種類型：正氣溫系數(PTC)熱敏內阻和負氣溫系數(NTC)熱敏內阻。多晶陶瓷PTC熱敏內阻具有較高的正氣溫系數，常用于開關應用。NTC陶瓷半導體熱敏內阻具有較高的負氣溫系數電阻的測量如何引入，隨著氣溫下降而內阻值增長，因此適用于精密體溫檢測。
NTC熱敏內阻共有三種工作模式：內阻-體溫、電壓-電壓和電壓-時間。在借助內阻-氣溫特點的工作模式下，熱敏內阻的測量結果精度最高。
內阻-氣溫電路將熱敏內阻配置為“零功率”狀態。“零功率”狀態假設元件的激勵電壓或激勵電流不會導致熱敏內阻的自熱現象。
的是一款典型NTC熱敏內阻，該元件內阻值為4.7k?，采用0603封裝，內阻-氣溫特點具有高度非線性（圖1）。
圖1：典型NTC熱敏內阻的內阻-氣溫特點具有高度非線性，因而設計人員必須設法使指定氣溫范圍內的這些非線性得到控制。（圖片來源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾畫）
如圖1曲線所示，4.7k?熱敏內阻的阻值-氣溫特點高度非線性。NTC熱敏內阻值隨氣溫升高的速度是一個常數，稱為β（圖中未顯示）。對于的4.7k?熱敏內阻而言，β=3500。
使用高幀率模數轉換器(ADC)和經驗三階方程或查找表，可以在軟件中校準熱敏內阻的非線性響應。
但是，有一種硬件技術療效更佳、應用更簡單且成本更低，只需應用于ADC之前，就可以解決±25℃溫度范圍內的熱敏內阻線性化問題。
硬件線性化解決方案
實現熱敏內阻輸出初步線性化的簡單方式是，將熱敏內阻與標準內阻器（1%，金屬膜）和電流源串聯。串聯的阻值值決定熱敏內阻電路線性響應區間的中點。按照熱敏內阻值(RTH)和-Hart多項式，可確定熱敏內阻的體溫（圖2）。據否認，-Hart多項式是確定NTC熱敏內阻體溫的最佳物理表達式。
圖2：分壓器（RTH和R25）配置可使熱敏內阻響應線性化。ADC0（ADC輸入端）的線性范圍約為50℃的氣溫范圍。（圖片來源：Baker）
為推論熱敏內阻的實際內阻值RTH，首先要確定分壓器輸出(VADC0)，之后使用VADC0求得ADC數字輸出十補碼代碼DOUT，而DOUT取決于ADC位數(N)、ADC最大輸入電流(VREF)和ADC輸入電流(VADC0)。求解RTH的第三步，即最后一步是用R25（25℃時的RTH值）除以ADC代碼數與ADC數字輸出十補碼代碼的比值。第三步估算過程從下列方程2開始。
最后一步估算使用上述-Hart多項式，將熱敏內阻值轉換為開氏體溫。精密模擬微控制器使用方程4求得傳感氣溫：
方程4
其中：
T2=檢測的熱敏內阻氣溫（以K為單位）
T1=298K(25℃)
β=298K或25℃時的熱敏內阻β參數。β=3500
R25=298K或25℃時的熱敏內阻值。R25=4.7kΩ
RTH=未知氣溫時的熱敏內阻值，由方程3估算
圖2中，25℃時的熱敏內阻值(RTH)等于4.7k?。因為R25的電阻等于25℃時的熱敏內阻值，因而分壓器的線性區間以25℃為中心（圖3）。
圖3：4.7k?熱敏內阻與4.7k?標準內阻器串聯的線性響應，分壓器兩端電流為2.4V。（圖片來源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾畫）
圖3中，熱敏內阻串聯電路約在0℃至+50℃的有限氣溫范圍內可實現線性氣溫響應。在此范圍內，氣溫變化偏差為±1℃。線性化內阻值(R25)應等于目標氣溫范圍中點對應的熱敏內阻值。
在±25℃的氣溫范圍內，該電路可實現的精度典型值為12位，熱敏阻值的標稱水溫為R25的電阻。
基于USB的體溫檢測器
該電路解決方案的訊號路徑源于低成本的4.7k?熱敏阻值，之后聯接的低成本微控制器。該微控制器集成四個12位數模轉換器(DAC)、一個多通道12位逐次迫近寄存器(SAR)ADC和一個1.2V內部基準源，以及ARM7?內核、126KB閃存、8KB靜態隨機存取儲存器(SRAM)和UART、定時器、SPI和兩個I2C插口等各類數字外設（圖4）。
圖4：該氣溫檢查電路使用USB插口進行供電，使用微控制器的I2C插口進行數字通訊。（圖片來源：）
圖4中，電路的電源和接地都來自四線USB插口。的-5-R7低壓差線性穩壓器使用5VUSB電源形成3.3V輸出。穩壓輸出為的DVDD端供電。的AVDD電源須要另接混頻器，如圖所示。據悉，USB電源與線性穩壓器的IN引腳之間也需接入混頻器。
室溫數據交換也是通過USB插口的D+和D-引腳實現。才能使用I2C合同發送和接收數據。該應用電路使用雙線I2C插口發送數據并接收配置命令。
該應用使用了如下特點：
外觀精巧(5mm×5mm)，采用32引腳芯片級封裝，因而整個電路占用的彩印電路板空間極小，有利于節約成本和空間。
盡管具有功能強悍的ARM7內核和高速SARADC，但仍能提供低幀率解決方案。整個電路的典型幀率為11mA，ARM7內核時鐘速率達5MHz，主ADC用于檢測外部熱敏內阻。在兩次體溫檢測之間，可以關掉微控制器和/或ADC以進一步節約幀率。
布局注意事項
圖4所示的訊號處理系統很容易造成誤會，乍看之下，該系統僅包含三個有源元件，并且這么簡約的布局中卻隱藏著一些問題值得注意。
比如，微控制器是相當復雜的模擬數字系統，須要非常注意接地規則。其實該系統的模擬域頻度雖然“很慢”，但片上取樣保持ADC卻是高速多通道元件，取樣速度高達1MS/s，最大時鐘速率達41.78MHz。該系統的時鐘上升和增長時間只有數毫秒，因而該應用屬于高速應用。
其實，面對混和訊號電路時須要非常注意。下列四點核實清單囊括了主要方面：
使用電解電容器選擇較小的電容器接地平面注意事項可以選擇大型鐵氧體磁珠
該電路中常用10mF至100mF的大電解電容器，距離芯片不超過2英寸。這種電容器可充當電荷存儲器，用于清除走線電感形成的瞬時電荷。
該電路中常用0.01mF至0.1mF的小電容，應盡可能緊靠元件的電源引腳放置。這種電容器可用于高頻噪音的快速高效接地。
接地平面（去耦電容下方）可對高頻電壓去耦，最大限度地降低EMI/RFI幅射。請選擇面積較大的低阻抗區域作為接地平面。為了最大限度地減少走線電感，電容器應使用通孔或較短印制線接地。
不僅圖4中的去耦電容外，USB線纜的EMI/RFI保護也須要使用鐵氧體。該電路中使用的鐵氧體磁珠是TaiyoYuden的-T，100MHz時的阻抗為1000Ω。
總結
室溫傳感是應用最廣泛的傳感之一，但其設計要求卻一直給設計人員帶來繁重挑戰——既要削減成本和規格，又要提升檢查精度。考慮到這種要求，本文介紹了基于USB的低幀率商用熱敏內阻系統實現方式。該系統采用的大型12位ADC和高精度微控制器解決方案。這一組合成功使用內阻器來校準NTC熱敏內阻的非線性響應，可精確測量和監視水溫。
