作者：Bonnie Baker
温度传感器是电子行业应用最广泛的传感器之一，包括校准、安全、暖通空调 (HVAC) 等等。虽然应用广泛，但如果设计师想以最低的成本实现最高精度的性能，温度传感器及其实现仍然极具挑战性。
温度检测的方法有很多种。最常见的方法是使用热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD)、热电偶或硅温度计等温度传感器。然而，选择合适的传感器只是解决方案的一部分。之后，所选传感器必须连接到信号链，不仅要保持信号的完整性，还要准确补偿特定检测技术的独特性，以确保提供准确的数字温度值。
本文介绍了一种 USB 该任务由供电电路解决方案完成。该解决方案采用负温度系数。 (NTC) 结合热敏电阻 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 对温度进行精确的模拟。
0 1NTC 热敏电阻的特性热敏电阻是一种对温度非常敏感的电阻，可分为两种类型：正温系数 (PTC) 热敏电阻和负温度系数 (NTC) 热敏电阻。多晶陶瓷 PTC 热敏电阻具有较高的正温系数，常用于开关应用。NTC 陶瓷半导体热敏电阻具有较高的负温度系数，电阻值随温度升高而下降，因此适用于精密温度测量。
NTC 热敏电阻有三种工作模式：电阻 - 温度、电压 - 电流和电流 - 时间。使用电阻 - 热敏电阻检测结果在温度特性工作模式下精度最高。
电阻 - 温度电路将热敏电阻分配到零功率状态。假设装置的激励电流或激励电压不会引起热敏电阻的自热。
Murata Electronics的NCP18XM472J03RB是一款典型NTC该装置的热敏电阻为4.7k?，采用0603包装，电阻-温度特性高度非线性(图1)。
图 1：典型 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性高度非线性，设计师必须尽量控制指定温度范围内的非线性。(图片来源:Bonnie Baker，根据 Murata 计算和绘制提供的电阻值)
如图 1 曲线所示，4.7 k? 热敏电阻的电阻 - 非线性温度特性高。NTC 热敏电阻值随温度下降的速率是常数，称为 β(图中未显示)。 Murata 的 4.7 k? 就热敏电阻而言，β = 3500。
使用高分辨率模数转换器 (ADC) 以及经验三阶多项式或搜索表，可以在软件中校正热敏电阻的非线性响应。
然而，有一种硬件技术效果更好，应用更简单，成本更低 ADC 以前，可以解决 ±25℃ 热敏电阻在温度范围内线性化。
0 硬件线性化解决方案实现热敏电阻输出初步线性化的简单方法是将热敏电阻与标准电阻(1%、金属膜)和电压源串联起来。串联电阻值决定了热敏电阻线性响应区间的中点。根据热敏电阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 热敏电阻的温度(图 2)。据证实，Steinhart-Hart 方程是确定 NTC 最佳数学表达式的热敏电阻温度。
图 2：分压器(RTH 和 R25)配置可线性化热敏电阻响应。ADC0(ADC 输入端的线性范围约为 50℃ 温度范围。(图片来源:Bonnie Baker)
推导热敏电阻的实际电阻值 RTH，首先要确定分压器输出 (VADC然后使用 VADC0求得 ADC 十进制数字输出代码 DOUT，而 DOUT 取决于 ADC 位数 (N)、ADC 最大输入电压 (VREF) 和 ADC 输入电压 (VADC0)。求解 RTH 第三步，最后一步 R25(25℃ 时的 RTH 值)乘以 ADC 代码数与 ADC 十进制代码的数字输出比值。第三步从以下等式计算过程 2 开始。
上述计算和使用的最后一步 Steinhart-Hart 将热敏电阻值转换为开氏温度的方程。ADuC7023 精密模拟微控制器 4 传感器温度：
等式 4
其中：
T2= 测量的热敏电阻温度(以 K 为单位)
T1= 298 K (25℃)
β = 298 K 或 25℃ 热敏电阻 β 参数。β = 3500
R25 = 298 K 或 25℃ 热敏电阻值。R25 = 4.7 kΩ
RTH= 未知温度下的热敏电阻值由等式组成 3 计算
图 2 中，25℃ 热敏电阻值 (RTH) 等于 4.7 k?。由于 R25 的阻值等于 25℃ 热敏电阻值，因此分压器的线性区间以 25℃ 为中心(图 3)。
图 3：4.7 k? 热敏电阻与 4.7 k? 分压器两端的电压为标准电阻串联的线性响应 2.4 V。(图片来源：Bonnie Baker，根据 Murata 计算和绘制提供的电阻值)
图 3 热敏电阻串联电路约在中间 0℃ 至 50℃ 线性温度响应可以在有限的温度范围内实现。在此范围内，温度变化误差为 ±1℃。线性化电阻值 (R25) 相应的热敏电阻值应等于目标温度范围的中点。
在 ±25℃ 在温度范围内，该电路的典型精度值为 12 热敏电阻的标称温度为 R25 的阻值。
0 3基于 USB 温度监测器该电路解决方案的信号路径始于低成本 4.7 k? 然后连接热敏电阻 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。集成四个微控制器 12 位数模转换器 (DAC)、一个多通道 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和一个 1.2 V 以及内部基准源 ARM7? 内核、126 KB 闪存、8 KB 存储器静态随机存取 (SRAM) 和 UART、定时器、SPI 和两个 I2C 各种数字外设(如图) 4)。
图 4:使用温度检测电路 USB 接口供电使用 ADuC7034 微控制器的 I2C 接口进行数字通信。(图片来源：Analog Devices)
图 4 电路的电源和接地来自四线 USB 接口。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 使用低压差线性稳压器 5 V USB 电源产生 3.3 V 输出。ADP3333 稳压输出为 ADuC7023 的 DVDD 端供电。ADuC7023 的 AVDD 电源需要另接滤波器，如图所示。此外，USB 电源和线性稳压器 IN 滤波器也需要连接到引脚之间。
温度数据交换也是通过 USB 接口的 D 和 D- 引脚实现。ADuC7023 能够使用 I2C 协议发送和接收数据。应用电路采用双线 I2C 接口发送数据并接收配置命令。
应用程序使用如下 ADuC7023 特性：
12 位 SAR ADC。
带 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 内部闪存用于配置和控制用户代码 ADC、管理 USB 接口的通信和热敏电阻的处理 ADC 转换。
I2C 接口用于与主机 PC 通信。
两个外部开关/按钮(图中未显示)可以强制器件进入闪存引导模式 DOWNLOAD 保持低电平并切换 RESET 开关，ADuC7023 将进入指导模式，而不是正常的用户模式。使用指导模式 USB 接口连接器件相关 I2CWSD 可重新编程内部闪存的软件工具。
VREF 是间隙基准。该基准电压可作为系统中其他电路的电压基准。每个引脚连接的最小值 0.1 μF 电容器用于降噪。
ADuC7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)，采用 32 引脚芯片级包装，整个电路占用的印刷电路板空间很小，有利于节约成本和空间。
虽然 ADuC7023 功能强大 ARM7 内核和高速 SAR ADC，但仍能提供低功耗解决方案。整个电路的典型功耗是 11 mA，ARM7 内核时钟速度达到 5 MHz，主 ADC 用于测量外部热敏电阻。微控制器和/或 ADC 进一步节约功耗。
0 4.布局注意事项图 4 显示的信号处理系统容易引起误解。乍一看，该系统只包含三个有源设备，但在如此简单的布局中隐藏着一些值得注意的问题。
例如，ADuC7023 微控制器是一个非常复杂的模拟数字系统，需要特别注意接地规则。虽然该系统的模拟域频率似乎非常慢 ADC 但高速多通道装置采样速率高达 1 MS/s，最大时钟速度达到 41.78 MHz。该系统的时钟上升和下降时间纳秒，因此该应用属于高速应用。
显然，面对混合信号电路需要特别注意。以下四个检查清单涵盖了主要方面：
使用电解电容器
选择较小的电容器
接地平面注意事项
可选择小型铁氧体磁珠
常用于这种电路 10 mF 至 100 mF 大电解电容器的距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可作为消除线路电感产生的瞬时电荷的电荷储存器。
常用于这种电路 0.01 mF 至 0.1 mF 小电容器应尽可能靠近设备的电源引脚。这种电容器可用于高频噪声的快速高效接地。
接平面(去耦电容下方)可对高频电流去耦，最大限度地减少 EMI/RFI 辐射。请选择面积较大的低阻抗区域作为接地平面。为了最大限度地减小走线电感，电容器应使用通孔或较短印制线接地。
除了图 4 中的去耦电容外，USB 电缆的 EMI/RFI 保护也需要使用铁氧体。该电路中使用的铁氧体磁珠是 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T，100 MHz 时的阻抗为 1000 Ω。
0 5总结温度传感器是应用最广泛的传感器之一，但其设计要求却始终给设计人员带来艰巨挑战——既要缩减成本和尺寸，又要提高检测精度。考虑到这些要求，本文介绍了基于 USB 的低功耗商用热敏电阻系统实现方法。该系统采用 Analog Devices 的小型 12 位 ADC 和高精度 ADuC7023 微控制器解决方案。这一组合成功使用电阻器来校正 NTC 热敏电阻的非线性响应，可精确检测和监视温度。
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