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。其中有很多是關於模數轉換器（ADC）的，由於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，以及如何理解並實現所選傳感器的更大系統精度上。
溫度傳感器用於大功率開關電源設計中，需要監測功率電晶體和散熱器。電池充電系統需要溫度傳感器監測電池溫度，以便安全充電並優化電池壽命，家庭恆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係數（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矽基熱敏電阻，它是一種正溫度係數（PTC）器件。並且PTC不是電阻器件，而是電流模式器件；在電流模式下工作的矽提供基於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。本文的重點是將矽基熱敏電阻與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提供高解析度（8-32位解析度），但採樣速度較慢。SAR類型最古老、最常見，解析度為8-18位，採樣速度更快。對於溫度傳感，任意一種ADC都是不錯的選擇。
ADC解析度
ADC的位數將決定解析度而非精度。解析度是ADC用來測量施加到ADC管腳的模擬電壓的步長。解析度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的解析度。一個16位ADC將具有65536位的總解析度，每位解析度為0.000005035VDC。ADC位數越多將意味著更高的測量解析度。
請勿將精度與解析度混淆。解析度是指能夠看到被測電路值的變化。用於溫度測量的典型ADC的解析度為12-16位。您會發現8位或10位ADC不能提供足夠的解析度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。
過採樣以獲得更高解析度
過採樣是一種平均測量值的方法，可提高解析度和信噪比。過採樣的工作原理是將多個帶有噪聲的溫度測量值相加，然後進行平均，得到一個更精確的數值。每超過8個過採樣，解析度將增加2位。16次過採樣會將10位ADC的總解析度提高到14位。如果噪聲高於Nyquist頻率，則可在應用程式中使用任意數量的樣本（N＃份樣本）來獲得設計所需的解析度。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。
在使用過採樣方法時，在輸入信號中添加一些抖動噪聲可改善解析度誤差。許多實際應用中，噪聲小幅增加可大幅提高測量解析度。在實踐中，將抖動噪聲置於測量感興趣的頻率範圍之外，隨後可以在數字域中濾除這些噪聲，從而在感興趣的頻率範圍內進行最終的測量，同時具有更高的解析度和更低的噪聲。
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用於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。抖動噪聲必須等於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位解析度。10位ADC的最小抖動噪聲必須高於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的位解析度。
在ADC讀取一個位值並計算溫度後，您可將該值存儲在先進先出（FIFO）軟體陣列中。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於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體，也可具有無需硬體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內部具有浮點硬體使計算速度更快、功耗更低。
具有固定點意味著只能顯示大於零的整數。例如：如果1 + 1，則得到2，然後取平均值1。如果2 + 1，則得到3，然後取平均值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。浮點可顯示更高解析度的溫度，即22.1°C或22.15°C。使用浮點數既可更輕鬆計算溫度，也可使用帶有插值的查找表。您可使用具有單位數解析度的定點查找表，解析度為一位數，這對於許多應用程式是可接受的。
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。這並不正確。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並施加穩定的電壓。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是一種基於電流工作的矽器件。隨著溫度變化，傳導電流也隨之發生變化。大多數PTC的工作都使用恆流源進行，如圖2所示。電流改變時，由電流源提供的電壓改變。
圖2： 恆流電路實現
ADC測量電壓的變化，並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：它們在Vtemp 連接處具有線性輸出，如下圖3所示，因此更易於校準。這也使零件在整個溫度範圍內都更加精確。
圖3： PTC熱敏電阻線性電阻斜率
NTC具有類似於下面圖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，從而在整個溫度範圍內保持精確。NTC的非線性斜率無法在未校準的情況下在整個溫度範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解析度的12位ADC，尤其是在較冷溫度下，但是PTC通常需要14位ADC才能獲得足夠的解析度，以查看溫度步長，從而顯示出 PTC的實際精度。對於所有溫度範圍內的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的動態範圍。較低的動態範圍使ADC的電壓反饋降低，這就是PTC需要14位ADC解析度的原因。但是，由於PTC的線性斜率，較低的動態範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範圍內校準PTC。對於基於PTC的系統，在整個溫度範圍內，這將使溫度測量比典型的（同等指定的）基於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電源也提供用於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。
比率度方法可以增加系統中的總精度。在實現不使用平均或過採樣的基於熱敏電阻的溫度傳感器時，為分壓器和ADC的VREF使用相同的電源非常重要。
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。對於差分的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，並增加誤差。
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採取措施，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。
緩衝器和放大器
放大器可用於增加熱敏電阻的動態範圍。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（緩衝/增益）。一些SAR ADC也有這些功能。
有時會使用單位增益緩衝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採樣時，來自ADC的浪湧電容會導致測量時幾毫伏的電壓下降。如果在ADC中具有足夠的解析度，則會在溫度測量中觀察到這是一個錯誤。如果直接在ADC管腳上增加一個等於ADC電容10倍的電容器，則無需使用緩衝器就可以補償ADC電容的浪湧電流。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
由於PTC熱敏電阻使用矽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，可定義整個溫度範圍內的TCR / PPM，且PPM隨時間變化。
從ADC導出溫度
NTC熱敏電阻溫度是基於器件的電阻。許多設計人員使用查找表尋找特定溫度下的電阻。然後通過插值計算每個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。對於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基於流經零件的實際電流，通常由公式定義。PTC基於三階或四階多項式。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，並採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都依賴於四階多項式。
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，且在整個溫度範圍內具有PPM，VCC在電壓以及溫度範圍內存在電壓誤差。系統總精度可能超出預期範圍，且精度可能並不能達到期望。
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，由於矽的工藝偏差，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範圍內對其進行校正。大多數情況下，在組裝的最終編程過程中，偏移調整可於室溫下進行，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、成本低都易於實現。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範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恆流源來驅動它們。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。
文章來源：德州儀器