室溫傳感是電子行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳感之一，應(yīng)用范圍包括校驗(yàn)、安全、暖通空調(diào)(HVAC)等。雖然應(yīng)用廣泛，并且設(shè)計(jì)人員若要以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高精度的性能，氣溫傳感及其實(shí)現(xiàn)依然極具挑戰(zhàn)性。
體溫測(cè)量的方式有許多種。最常見(jiàn)的方式是使用熱敏內(nèi)阻、電阻體溫測(cè)量器(RTD)、熱電偶或硅室溫計(jì)等氣溫傳感。不過(guò)，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(lián)接訊號(hào)鏈，該訊號(hào)鏈除了要保持訊號(hào)完整性，還要精確補(bǔ)償特定檢查技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn)，以確保才能提供精確的數(shù)字化氣溫值。
本文介紹了一種USB供電電路解決方案來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。該解決方案使用負(fù)氣溫系數(shù)(NTC)熱敏內(nèi)阻電阻的測(cè)量如何引入，結(jié)合的-R7精密模擬微控制器來(lái)精確檢測(cè)體溫。
NTC熱敏內(nèi)阻的特點(diǎn)
熱敏內(nèi)阻是一種對(duì)濕度非常敏感的阻值器，可分為兩種類型：正氣溫系數(shù)(PTC)熱敏內(nèi)阻和負(fù)氣溫系數(shù)(NTC)熱敏內(nèi)阻。多晶陶瓷PTC熱敏內(nèi)阻具有較高的正氣溫系數(shù)，常用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用。NTC陶瓷半導(dǎo)體熱敏內(nèi)阻具有較高的負(fù)氣溫系數(shù)電阻的測(cè)量如何引入，隨著氣溫下降而內(nèi)阻值增長(zhǎng)，因此適用于精密體溫檢測(cè)。
NTC熱敏內(nèi)阻共有三種工作模式：內(nèi)阻-體溫、電壓-電壓和電壓-時(shí)間。在借助內(nèi)阻-氣溫特點(diǎn)的工作模式下，熱敏內(nèi)阻的測(cè)量結(jié)果精度最高。
內(nèi)阻-氣溫電路將熱敏內(nèi)阻配置為“零功率”狀態(tài)。“零功率”狀態(tài)假設(shè)元件的激勵(lì)電壓或激勵(lì)電流不會(huì)導(dǎo)致熱敏內(nèi)阻的自熱現(xiàn)象。
的是一款典型NTC熱敏內(nèi)阻，該元件內(nèi)阻值為4.7k?，采用0603封裝，內(nèi)阻-氣溫特點(diǎn)具有高度非線性（圖1）。
圖1：典型NTC熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻-氣溫特點(diǎn)具有高度非線性，因而設(shè)計(jì)人員必須設(shè)法使指定氣溫范圍內(nèi)的這些非線性得到控制。（圖片來(lái)源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾畫(huà)）
如圖1曲線所示，4.7k?熱敏內(nèi)阻的阻值-氣溫特點(diǎn)高度非線性。NTC熱敏內(nèi)阻值隨氣溫升高的速度是一個(gè)常數(shù)，稱為β（圖中未顯示）。對(duì)于的4.7k?熱敏內(nèi)阻而言，β=3500。
使用高幀率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和經(jīng)驗(yàn)三階方程或查找表，可以在軟件中校準(zhǔn)熱敏內(nèi)阻的非線性響應(yīng)。
但是，有一種硬件技術(shù)療效更佳、應(yīng)用更簡(jiǎn)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)的熱敏內(nèi)阻線性化問(wèn)題。
硬件線性化解決方案
實(shí)現(xiàn)熱敏內(nèi)阻輸出初步線性化的簡(jiǎn)單方式是，將熱敏內(nèi)阻與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻器（1%，金屬膜）和電流源串聯(lián)。串聯(lián)的阻值值決定熱敏內(nèi)阻電路線性響應(yīng)區(qū)間的中點(diǎn)。按照熱敏內(nèi)阻值(RTH)和-Hart多項(xiàng)式，可確定熱敏內(nèi)阻的體溫（圖2）。據(jù)否認(rèn)，-Hart多項(xiàng)式是確定NTC熱敏內(nèi)阻體溫的最佳物理表達(dá)式。
圖2：分壓器（RTH和R25）配置可使熱敏內(nèi)阻響應(yīng)線性化。ADC0（ADC輸入端）的線性范圍約為50℃的氣溫范圍。（圖片來(lái)源：Baker）
為推論熱敏內(nèi)阻的實(shí)際內(nèi)阻值RTH，首先要確定分壓器輸出(VADC0)，之后使用VADC0求得ADC數(shù)字輸出十補(bǔ)碼代碼DOUT，而DOUT取決于ADC位數(shù)(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(shí)的RTH值）除以ADC代碼數(shù)與ADC數(shù)字輸出十補(bǔ)碼代碼的比值。第三步估算過(guò)程從下列方程2開(kāi)始。
最后一步估算使用上述-Hart多項(xiàng)式，將熱敏內(nèi)阻值轉(zhuǎn)換為開(kāi)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(cè)的熱敏內(nèi)阻氣溫（以K為單位）
T1=298K(25℃)
β=298K或25℃時(shí)的熱敏內(nèi)阻β參數(shù)。β=3500
R25=298K或25℃時(shí)的熱敏內(nèi)阻值。R25=4.7kΩ
RTH=未知?dú)鉁貢r(shí)的熱敏內(nèi)阻值，由方程3估算
圖2中，25℃時(shí)的熱敏內(nèi)阻值(RTH)等于4.7k?。因?yàn)镽25的電阻等于25℃時(shí)的熱敏內(nèi)阻值，因而分壓器的線性區(qū)間以25℃為中心（圖3）。
圖3：4.7k?熱敏內(nèi)阻與4.7k?標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻器串聯(lián)的線性響應(yīng)，分壓器兩端電流為2.4V。（圖片來(lái)源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾畫(huà)）
圖3中，熱敏內(nèi)阻串聯(lián)電路約在0℃至+50℃的有限氣溫范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)線性氣溫響應(yīng)。在此范圍內(nèi)，氣溫變化偏差為±1℃。線性化內(nèi)阻值(R25)應(yīng)等于目標(biāo)氣溫范圍中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱敏內(nèi)阻值。
在±25℃的氣溫范圍內(nèi)，該電路可實(shí)現(xiàn)的精度典型值為12位，熱敏阻值的標(biāo)稱水溫為R25的電阻。
基于USB的體溫檢測(cè)器
該電路解決方案的訊號(hào)路徑源于低成本的4.7k?熱敏阻值，之后聯(lián)接的低成本微控制器。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位逐次迫近寄存器(SAR)ADC和一個(gè)1.2V內(nèi)部基準(zhǔn)源，以及ARM7?內(nèi)核、126KB閃存、8KB靜態(tài)隨機(jī)存取儲(chǔ)存器(SRAM)和UART、定時(shí)器、SPI和兩個(gè)I2C插口等各類數(shù)字外設(shè)（圖4）。
圖4：該氣溫檢查電路使用USB插口進(jìn)行供電，使用微控制器的I2C插口進(jìn)行數(shù)字通訊。（圖片來(lái)源：）
圖4中，電路的電源和接地都來(lái)自四線USB插口。的-5-R7低壓差線性穩(wěn)壓器使用5VUSB電源形成3.3V輸出。穩(wěn)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(jù)悉，USB電源與線性穩(wěn)壓器的IN引腳之間也需接入混頻器。
室溫?cái)?shù)據(jù)交換也是通過(guò)USB插口的D+和D-引腳實(shí)現(xiàn)。才能使用I2C合同發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。該應(yīng)用電路使用雙線I2C插口發(fā)送數(shù)據(jù)并接收配置命令。
該應(yīng)用使用了如下特點(diǎn)：
外觀精巧(5mm×5mm)，采用32引腳芯片級(jí)封裝，因而整個(gè)電路占用的彩印電路板空間極小，有利于節(jié)約成本和空間。
盡管具有功能強(qiáng)悍的ARM7內(nèi)核和高速SARADC，但仍能提供低幀率解決方案。整個(gè)電路的典型幀率為11mA，ARM7內(nèi)核時(shí)鐘速率達(dá)5MHz，主ADC用于檢測(cè)外部熱敏內(nèi)阻。在兩次體溫檢測(cè)之間，可以關(guān)掉微控制器和/或ADC以進(jìn)一步節(jié)約幀率。
布局注意事項(xiàng)
圖4所示的訊號(hào)處理系統(tǒng)很容易造成誤會(huì)，乍看之下，該系統(tǒng)僅包含三個(gè)有源元件，并且這么簡(jiǎn)約的布局中卻隱藏著一些問(wèn)題值得注意。
比如，微控制器是相當(dāng)復(fù)雜的模擬數(shù)字系統(tǒng)，須要非常注意接地規(guī)則。其實(shí)該系統(tǒng)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(dá)1MS/s，最大時(shí)鐘速率達(dá)41.78MHz。該系統(tǒng)的時(shí)鐘上升和增長(zhǎng)時(shí)間只有數(shù)毫秒，因而該應(yīng)用屬于高速應(yīng)用。
其實(shí)，面對(duì)混和訊號(hào)電路時(shí)須要非常注意。下列四點(diǎn)核實(shí)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(xiàng)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(guò)2英寸。這種電容器可充當(dāng)電荷存儲(chǔ)器，用于清除走線電感形成的瞬時(shí)電荷。
該電路中常用0.01mF至0.1mF的小電容，應(yīng)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(duì)高頻電壓去耦，最大限度地降低EMI/RFI幅射。請(qǐng)選擇面積較大的低阻抗區(qū)域作為接地平面。為了最大限度地減少走線電感，電容器應(yīng)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(hù)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(shí)的阻抗為1000Ω。
總結(jié)
室溫傳感是應(yīng)用最廣泛的傳感之一，但其設(shè)計(jì)要求卻一直給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)繁重挑戰(zhàn)——既要削減成本和規(guī)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(nèi)阻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。該系統(tǒng)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(nèi)阻器來(lái)校準(zhǔn)NTC熱敏內(nèi)阻的非線性響應(yīng)，可精確測(cè)量和監(jiān)視水溫。
