溫度傳感器是電子行業中應用最廣泛的傳感器之一，應用範圍包括校準、安全、暖通空調 (HVAC) 等。盡管應用廣泛，但是設計人員若要以最低的成本實現最高精度的性能，溫度傳感器及其實現仍然極具挑戰性。

 

溫度檢測的方法有許多種。最常見的方法是使用熱敏電阻
、電阻溫度檢測器 (RTD)

、熱re電dian偶ou或huo矽gui溫wen度du計ji等deng溫wen度du傳chuan感gan器qi。不bu過guo，選xuan擇ze合he適shi的de傳chuan感gan器qi隻zhi是shi解jie決jue方fang案an的de一yi部bu分fen。在zai此ci之zhi後hou
，所suo選xuan傳chuan感gan器qi必bi須xu連lian接jie信xin號hao鏈lian，該gai信xin號hao鏈lian不bu僅jin要yao保bao持chi信xin號hao完wan整zheng性xing，還hai要yao精jing確que補bu償chang特te定ding檢jian測ce技ji術shu的de獨du有you特te性xing
，以yi確que保bao能neng夠gou提ti供gong精jing確que的de數shu字zi化hua溫wen度du值zhi。

 

本文介紹了一種 USB 供電電路解決方案來完成這項任務。該解決方案使用負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻，結合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模擬微控製器來精確監測溫度。

 

NTC 熱敏電阻的特性

熱敏電阻是一種對溫度十分敏感的電阻器
，可分為兩種類型：正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻和負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。多晶陶瓷 PTC 熱敏電阻具有較高的正溫度係數，常用於開關應用。NTC 陶瓷半導體熱敏電阻具有較高的負溫度係數，隨著溫度升高而電阻值下降，因而適用於精密溫度測量。

 

NTC 熱敏電阻共有三種工作模式：電阻 - 溫度、電壓 - 電流和電流 - 時間。在利用電阻 - 溫度特性的工作模式下，熱敏電阻的檢測結果精度最高。

 

電阻 - 溫度電路將熱敏電阻配置為“零功率”狀態。“零功率”狀態假定器件的激勵電流或激勵電壓不會引起熱敏電阻的自熱現象。

 

Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 是一款典型 NTC 熱敏電阻，該器件電阻值為 4.7 kΩ，采用 0603 封裝
，電阻 - 溫度特性具有高度非線性（圖 1）。

 

圖 1：典型 NTC 熱敏電阻的電阻 - 溫度特性具有高度非線性

，因此設計人員必須設法使指定溫度範圍內的這種非線性得到控製。（圖片來源：Bonnie Baker

，根據 Murata 提供的電阻值計算和繪製）

 

如圖 1 曲線所示，4.7 kΩ 熱敏電阻的電阻 - 溫度特性高度非線性。NTC 熱敏電阻值隨溫度下降的速率是一個常數，稱為 β（圖中未顯示）。對於 Murata 的 4.7 kΩ 熱敏電阻而言，β = 3500。

 

使用高分辨率模數轉換器 (ADC) 和經驗三階多項式或查找表
，可以在軟件中校正熱敏電阻的非線性響應。

 

然而

，有一種硬件技術效果更佳
、應用更簡單且成本更低，隻需應用於 ADC 之前，就可以解決 ±25℃ 溫度範圍內的熱敏電阻線性化問題。

 

硬件線性化解決方案

實現熱敏電阻輸出初步線性化的簡單方法是
，將熱敏電阻與標準電阻器（1%，金屬膜）和電壓源串聯。串聯的電阻值決定熱敏電阻電路線性響應區間的中點。根據熱敏電阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 方程
，可確定熱敏電阻的溫度（圖 2）。據證實，Steinhart-Hart 方程是確定 NTC 熱敏電阻溫度的最佳數學表達式。

 

圖 2：分壓器（RTH 和 R25）配置可使熱敏電阻響應線性化。ADC0（ADC 輸入端）的線性範圍約為 50℃ 的溫度範圍。（圖片來源：Bonnie Baker）

 

為推導熱敏電阻的實際電阻值 RTH

，首先要確定分壓器輸出 (VADC0)，然後使用 VADC0 求得 ADC 數字輸出十進製代碼 DOUT

，而 DOUT 取決於 ADC 位數 (N)
、ADC 最大輸入電壓 (VREF) 和 ADC 輸入電壓 (VADC0)。求解 RTH 的第三步

，即最後一步是用 R25（25℃ 時的 RTH 值）乘以 ADC 代碼數與 ADC 數字輸出十進製代碼的比值。第三步計算過程從下述等式 2 開始。

 

等式2

 

最後一步計算使用上述 Steinhart-Hart 方程


，將熱敏電阻值轉換為開氏溫度。ADuC7023 精密模擬微控製器使用等式 4 求得傳感器溫度：

 

等式 4

 

其中：

T2 = 測量的熱敏電阻溫度（以 K 為單位）

T1 = 298 K (25℃)

β = 298 K 或 25℃ 時的熱敏電阻 β 參數。β = 3500

R25 = 298 K 或 25℃ 時的熱敏電阻值。R25 = 4.7 kΩ

RTH = 未知溫度時的熱敏電阻值
，由等式 3 計算

 

圖 2 中，25℃ 時的熱敏電阻值 (RTH) 等於 4.7 kΩ。由於 R25 的阻值等於 25℃ 時的熱敏電阻值，因此分壓器的線性區間以 25℃ 為中心（圖 3）。

 

圖 3：4.7 kΩ 熱敏電阻與 4.7 kΩ 標準電阻器串聯的線性響應，分壓器兩端電壓為 2.4 V。（圖片來源：Bonnie Baker，根據 Murata 提供的電阻值計算和繪製）

 

圖 3 中
，熱敏電阻串聯電路約在 0℃ 至 +50℃ 的有限溫度範圍內可實現線性溫度響應。在此範圍內
，溫度變化誤差為 ±1℃。線性化電阻值 (R25) 應等於目標溫度範圍中點對應的熱敏電阻值。

 

在 ±25℃ 的溫度範圍內，該電路可實現的精度典型值為 12 位，熱敏電阻的標稱溫度為 R25 的阻值。

 

基於 USB 的溫度監測器

該電路解決方案的信號路徑始於低成本的 4.7 kΩ 熱敏電阻，然後連接 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控製器。該微控製器集成四個 12 位數模轉換器 (DAC)、一個多通道 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和一個 1.2 V 內部基準源，以及 ARM7® 內核
、126 KB 閃存、8 KB 靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 和 UART、定時器
、SPI 和兩個 I2C 接口等各種數字外設（圖 4）。

 

圖 4：該溫度檢測電路使用 USB 接口進行供電，使用 ADuC7034 微控製器的 I2C 接口進行數字通信。（圖片來源：Analog Devices）

 

圖 4 中，電路的電源和接地都來自四線 USB 接口。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低壓差線性穩壓器使用 5 V USB 電源產生 3.3 V 輸出。ADP3333 穩壓輸出為 ADuC7023 的 DVDD 端供電。ADuC7023 的 AVDD 電源需要另接濾波器，如圖所示。此外，USB 電源與線性穩壓器的 IN 引腳之間也需接入濾波器。

 

溫度數據交換也是通過 USB 接口的 D+ 和 D- 引腳實現。ADuC7023 能夠使用 I2C 協議發送和接收數據。該應用電路使用雙線 I2C 接口發送數據並接收配置命令。

 

該應用使用了如下 ADuC7023 特性：

 

12 位 SAR ADC。

 

帶 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 內部閃存用於運行用戶代碼
，以配置和控製 ADC、管理 USB 接口的通信以及處理熱敏電阻的 ADC 轉換。

 

I2C 接口用於與主機 PC 通信。

 

兩個外部開關/按鈕（圖中未顯示）可強製器件進入閃存引導模式：使 DOWNLOAD 保持低電平並切換 RESET 開關
，ADuC7023 將進入引導模式，而不是正常的用戶模式。在引導模式下，利用 USB 接口連接器件相關的 I2CWSD 軟件工具，可以對內部閃存重新編程。

 

VREF 是帶隙基準。此基準電壓可用作係統中其他電路的電壓基準。各引腳連接的最小 0.1 μF 電容用於降噪。

 

ADuC7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)
，采用 32 引腳芯片級封裝，因此整個電路占用的印刷電路板空間極小，有利於節省成本和空間。

 

雖然 ADuC7023 具有功能強大的 ARM7 內核和高速 SAR ADC，但仍能提供低功耗解決方案。整個電路的典型功耗為 11 mA，ARM7 內核時鍾速度達 5 MHz
，主 ADC 用於測量外部熱敏電阻。在兩次溫度測量之間，可以關閉微控製器和/或 ADC 以進一步節省功耗。

 

布局注意事項

圖 4 所示的信號處理係統很容易導致誤解
，乍看之下，該係統僅包含三個有源器件，但是如此簡潔的布局中卻隱藏著一些問題值得注意。

 

例如，ADuC7023 微控製器是相當複雜的模擬數字係統
，需要特別注意接地規則。雖然該係統的模擬域頻率似乎“很慢”，但片上采樣保持 ADC 卻是高速多通道器件，采樣速率高達 1 MS/s，最大時鍾速度達 41.78 MHz。該係統的時鍾上升和下降時間隻有數納秒
，因此該應用屬於高速應用。

 

顯然，麵對混合信號電路時需要特別注意。下述四點核對清單涵蓋了主要方麵：

使用電解電容器

選擇較小的電容器 

接地平麵注意事項

可以選擇小型鐵氧體磁珠

 

該電路中常用 10 mF 至 100 mF 的大電解電容器，距離芯片不超過 2 英寸。此類電容器可充當電荷儲存器，用於消除走線電感產生的瞬時電荷。

 

該電路中常用 0.01 mF 至 0.1 mF 的小電容，應盡可能靠近器件的電源引腳放置。此類電容器可用於高頻噪聲的快速高效接地。

 

接地平麵（去耦電容下方）可對高頻電流去耦，最大限度地減少 EMI/RFI 輻射。請選擇麵積較大的低阻抗區域作為接地平麵。為了最大限度地減小走線電感
，電容器應使用通孔或較短印製線接地。

 

除了圖 4 中的去耦電容外，USB 電纜的 EMI/RFI 保護也需要使用鐵氧體。該電路中使用的鐵氧體磁珠是 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T，100 MHz 時的阻抗為 1000 Ω。

 

總結

溫度傳感器是應用最廣泛的傳感器之一
，但其設計要求卻始終給設計人員帶來艱巨挑戰——既要縮減成本和尺寸，又要提高檢測精度。考慮到這些要求
，本文介紹了基於 USB 的低功耗商用熱敏電阻係統實現方法。該係統采用 Analog Devices 的小型 12 位 ADC 和高精度 ADuC7023 微控製器解決方案。這一組合成功使用電阻器來校正 NTC 熱敏電阻的非線性響應
，可精確檢測和監視溫度。