快速创建基于热敏电阻的精确温度检测电路
温度传感器是电子行业中应用最广泛的传感器之一，应用范围包括校准、安全、暖通空调 (hvac) 等。尽管应用广泛，但是设计人员若要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。
温度检测的方法有许多种。最常见的方法是使用热敏电阻、电阻温度检测器 (rtd)、热电偶或硅温度计等温度传感器。不过，选择合适的传感器只是解决方案的一部分。在此之后，所选传感器必须连接信号链，该信号链不仅要保持信号完整性，还要精确补偿特定检测技术的独有特性，以确保能够提供精确的数字化温度值。
本文介绍了一种 usb 供电电路解决方案来完成这项任务。该解决方案使用负温度系数 (ntc) 热敏电阻，结合analog devices的aduc7023bcpz62i-r7精密模拟微控制器来精确监测温度。
ntc 热敏电阻的特性
热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器，可分为两种类型：正温度系数 (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度系数，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，随着温度升高而电阻值下降，因而适用于精密温度测量。发烧友公众号回复资料和邮箱地址可以获取电子资料一份。
ntc 热敏电阻共有三种工作模式：电阻 - 温度、电压 - 电流和电流 - 时间。在利用电阻 - 温度特性的工作模式下，热敏电阻的检测结果精度最高。
电阻 - 温度电路将热敏电阻配置为“零功率”状态。“零功率”状态假定器件的激励电流或激励电压不会引起热敏电阻的自热现象。
murata electronics的ncp18xm472j03rb是一款典型 ntc 热敏电阻，该器件电阻值为 4.7 kΩ，采用 0603 封装，电阻 - 温度特性具有高度非线性（图 1）。
图 1：典型 ntc 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性，因此设计人员必须设法使指定温度范围内的这种非线性得到控制。（图片来源：bonnie baker，根据 murata 提供的电阻值计算和绘制）
如图 1 曲线所示，4.7 kΩ 热敏电阻的电阻 - 温度特性高度非线性。ntc 热敏电阻值随温度下降的速率是一个常数，称为 β（图中未显示）。对于 murata 的 4.7 kΩ 热敏电阻而言，β = 3500。
使用高分辨率模数转换器 (adc) 和经验三阶多项式或查找表，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佳、应用更简单且成本更低，只需应用于 adc 之前，就可以解决 ±25℃ 温度范围内的热敏电阻线性化问题。
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器（1%，金属膜）和电压源串联。串联的电阻值决定热敏电阻电路线性响应区间的中点。根据热敏电阻值 (rth) 和 steinhart-hart 方程，可确定热敏电阻的温度（图 2）。据证实，steinhart-hart 方程是确定 ntc 热敏电阻温度的最佳数学表达式。
图 2：分压器（rth和 r25）配置可使热敏电阻响应线性化。adc0（adc 输入端）的线性范围约为 50℃ 的温度范围。（图片来源：bonnie baker）
为推导热敏电阻的实际电阻值 rth，首先要确定分压器输出 (vadc0)，然后使用 vadc0求得 adc 数字输出十进制代码 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的第三步，即最后一步是用 r25（25℃ 时的 rth值）乘以 adc 代码数与 adc 数字输出十进制代码的比值。第三步计算过程从下述等式 2 开始。
最后一步计算使用上述 steinhart-hart 方程，将热敏电阻值转换为开氏温度。aduc7023 精密模拟微控制器使用等式 4 求得传感器温度：
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℃ 时的热敏电阻 β 参数。β = 3500
r25= 298 k 或 25℃ 时的热敏电阻值。r25= 4.7 kω
rth= 未知温度时的热敏电阻值，由等式 3 计算
图 2 中，25℃ 时的热敏电阻值 (rth) 等于 4.7 kΩ。由于 r25的阻值等于 25℃ 时的热敏电阻值，因此分压器的线性区间以 25℃ 为中心（图 3）。
图 3：4.7 kΩ 热敏电阻与 4.7 kΩ 标准电阻器串联的线性响应，分压器两端电压为 2.4 v。（图片来源：bonnie baker，根据 murata 提供的电阻值计算和绘制）
图 3 中，热敏电阻串联电路约在 0℃ 至 +50℃ 的有限温度范围内可实现线性温度响应。在此范围内，温度变化误差为 ±1℃。线性化电阻值 (r25) 应等于目标温度范围中点对应的热敏电阻值。
在 ±25℃ 的温度范围内，该电路可实现的精度典型值为 12 位，热敏电阻的标称温度为 r25的阻值。
基于 usb 的温度监测器
该电路解决方案的信号路径始于低成本的 4.7 kΩ 热敏电阻，然后连接 analog devices 的低成本 aduc7023 微控制器。该微控制器集成四个 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 内部基准源，以及 arm7®内核、126 kb 闪存、8 kb 静态随机存取存储器 (sram) 和 uart、定时器、spi 和两个 i2c 接口等各种数字外设（图 4）。
图 4：该温度检测电路使用 usb 接口进行供电，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 中，电路的电源和接地都来自四线 usb 接口。analog devices 的adp3333armz-5-r7低压差线性稳压器使用 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 电源与线性稳压器的 in 引脚之间也需接入滤波器。
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。该应用电路使用双线 i2c 接口发送数据并接收配置命令。
该应用使用了如下 aduc7023 特性：
12 位 sar adc。
带 sram 的armarm7tdmi。集成的 62 kb 内部闪存用于运行用户代码，以配置和控制 adc、管理 usb 接口的通信以及处理热敏电阻的 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）可强制器件进入闪存引导模式：使 download 保持低电平并切换 reset 开关，aduc7023 将进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，利用 usb 接口连接器件相关的 i2cwsd 软件工具，可以对内部闪存重新编程。
vref 是带隙基准。此基准电压可用作系统中其他电路的电压基准。各引脚连接的最小 0.1 μf 电容用于降噪。
aduc7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)，采用 32 引脚芯片级封装，因此整个电路占用的印刷电路板空间极小，有利于节省成本和空间。
虽然 aduc7023 具有功能强大的 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为 11 ma，arm7 内核时钟速度达 5 mhz，主 adc 用于测量外部热敏电阻。在两次温度测量之间，可以关闭微控制器和/或 adc 以进一步节省功耗。
布局注意事项
图 4 所示的信号处理系统很容易导致误解，乍看之下，该系统仅包含三个有源器件，但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。
例如，aduc7023 微控制器是相当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“很慢”，但片上采样保持 adc 却是高速多通道器件，采样速率高达 1 ms/s，最大时钟速度达 41.78 mhz。该系统的时钟上升和下降时间只有数纳秒，因此该应用属于高速应用。
显然，面对混合信号电路时需要特别注意。下述四点核对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
可以选择小型铁氧体磁珠
该电路中常用 10 mf 至 100 mf 的大电解电容器，距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可充当电荷储存器，用于消除走线电感产生的瞬时电荷。
该电路中常用 0.01 mf 至 0.1 mf 的小电容，应尽可能靠近器件的电源引脚放置。此类电容器可用于高频噪声的快速高效接地。
接地平面（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。
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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ntc 热敏电阻的特性
热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器，可分为两种类型：正温度系数 (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度系数，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，随着温度升高而电阻值下降，因而适用于精密温度测量。发烧友公众号回复资料和邮箱地址可以获取电子资料一份。
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图 1：典型 ntc 热敏电阻的电阻 - 温度特性具有高度非线性，因此设计人员必须设法使指定温度范围内的这种非线性得到控制。（图片来源：bonnie baker，根据 murata 提供的电阻值计算和绘制）
如图 1 曲线所示，4.7 kΩ 热敏电阻的电阻 - 温度特性高度非线性。ntc 热敏电阻值随温度下降的速率是一个常数，称为 β（图中未显示）。对于 murata 的 4.7 kΩ 热敏电阻而言，β = 3500。
使用高分辨率模数转换器 (adc) 和经验三阶多项式或查找表，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佳、应用更简单且成本更低，只需应用于 adc 之前，就可以解决 ±25℃ 温度范围内的热敏电阻线性化问题。
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器（1%，金属膜）和电压源串联。串联的电阻值决定热敏电阻电路线性响应区间的中点。根据热敏电阻值 (rth) 和 steinhart-hart 方程，可确定热敏电阻的温度（图 2）。据证实，steinhart-hart 方程是确定 ntc 热敏电阻温度的最佳数学表达式。
图 2：分压器（rth和 r25）配置可使热敏电阻响应线性化。adc0（adc 输入端）的线性范围约为 50℃ 的温度范围。（图片来源：bonnie baker）
为推导热敏电阻的实际电阻值 rth，首先要确定分压器输出 (vadc0)，然后使用 vadc0求得 adc 数字输出十进制代码 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的第三步，即最后一步是用 r25（25℃ 时的 rth值）乘以 adc 代码数与 adc 数字输出十进制代码的比值。第三步计算过程从下述等式 2 开始。
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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℃ 时的热敏电阻 β 参数。β = 3500
r25= 298 k 或 25℃ 时的热敏电阻值。r25= 4.7 kω
rth= 未知温度时的热敏电阻值，由等式 3 计算
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图 4：该温度检测电路使用 usb 接口进行供电，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 中，电路的电源和接地都来自四线 usb 接口。analog devices 的adp3333armz-5-r7低压差线性稳压器使用 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 电源与线性稳压器的 in 引脚之间也需接入滤波器。
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。该应用电路使用双线 i2c 接口发送数据并接收配置命令。
该应用使用了如下 aduc7023 特性：
12 位 sar adc。
带 sram 的armarm7tdmi。集成的 62 kb 内部闪存用于运行用户代码，以配置和控制 adc、管理 usb 接口的通信以及处理热敏电阻的 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）可强制器件进入闪存引导模式：使 download 保持低电平并切换 reset 开关，aduc7023 将进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，利用 usb 接口连接器件相关的 i2cwsd 软件工具，可以对内部闪存重新编程。
vref 是带隙基准。此基准电压可用作系统中其他电路的电压基准。各引脚连接的最小 0.1 μf 电容用于降噪。
aduc7023 外形小巧 (5 mm × 5 mm)，采用 32 引脚芯片级封装，因此整个电路占用的印刷电路板空间极小，有利于节省成本和空间。
虽然 aduc7023 具有功能强大的 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为 11 ma，arm7 内核时钟速度达 5 mhz，主 adc 用于测量外部热敏电阻。在两次温度测量之间，可以关闭微控制器和/或 adc 以进一步节省功耗。
布局注意事项
图 4 所示的信号处理系统很容易导致误解，乍看之下，该系统仅包含三个有源器件，但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。
例如，aduc7023 微控制器是相当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“很慢”，但片上采样保持 adc 却是高速多通道器件，采样速率高达 1 ms/s，最大时钟速度达 41.78 mhz。该系统的时钟上升和下降时间只有数纳秒，因此该应用属于高速应用。
显然，面对混合信号电路时需要特别注意。下述四点核对清单涵盖了主要方面：
使用电解电容器
选择较小的电容器
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该电路中常用 10 mf 至 100 mf 的大电解电容器，距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可充当电荷储存器，用于消除走线电感产生的瞬时电荷。
该电路中常用 0.01 mf 至 0.1 mf 的小电容，应尽可能靠近器件的电源引脚放置。此类电容器可用于高频噪声的快速高效接地。
接地平面（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。
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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