Skapa snabbt en termistorbaserad temperaturavkänningskrets med hög precision

Temperaturgivare är en av de mest använda sensorerna i elektronikbranschen med tillämpningar som kalibrering, säkerhet, värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC). Trots att de är så vanliga kan temperaturgivare och deras implementering vara en utmaning för konstruktörerna i att uppnå den högsta precisionen till lägsta möjliga kostnad.

Det finns ett antal sätt att känna av temperaturen. Vid de vanligaste metoderna används temperaturgivare som termistor, resistanstemperaturdetektor (RTD), termoelement eller en kiseltermometer. Att välja rätt givare är dock bara en del av lösningen. Givaren måste sedan anslutas till en signalkedja som bibehåller integriteten hos signalen, samtidigt som den kompenserar för de unika egenskaperna hos den aktuella avkänningstekniken för att säkerställa en korrekt digital representation av temperaturen.

Den här artikeln introducerar en USB-driven kretslösning för att utföra den här uppgiften. Den använder termistorn med negativ temperaturkoefficient (NTC) i kombination med Analog Devices ADuC7023BCPZ62I-R7 analoga precisionsmikrostyrenhet för att övervaka temperaturen exakt.

NTC-termistoregenskaper

En termistor är ett termiskt känsligt motstånd som finns i två typer: termistor med positiv temperaturkoefficient (PTC) och NTC-termistor. Den polykristallina keramiska PTC-termistorn har hög PTC och används normalt i switchningstillämpningar. Den keramiska NTC-halvledartermistorn har hög resistiv NTC, så dess motstånd minskar med ökande temperatur. Det gör den lämplig för precisionstemperaturmätning.

Det finns tre NTC-termistordriftlägen: motstånd mot temperatur, spänning mot ström och ström över tid. Det läge som utnyttjar resistans mot temperatur-egenskaperna hos termistorn ger resultaten med högst precision.

Resistans mot temperatur-kretsarna konfigurerar termistorn i ett nollströmsvillkor. Nolströmsvillkoret antar att enhetens ström- eller spänningsexcitation inte får termistorn att självuppvärmas.

I en typisk NTC-termistor, som Murata Electronics NCP18XM472J03RB-enhet på 4,7 kiloohm (kΩ) i ett 0603-paket är motstånd mot temperatur-svaret mycket icke-linjärt (figur 1).

Figur 1: Resistans mot temperatur-svaret för en typisk NTC-termistor är mycket icke-linjärt, så konstruktörerna måste hitta ett sätt att kontrollera den här icke-linjäriteten för ett angivet temperaturområde. (Bildkälla: Bonnie Baker, beräknat och ritat utifrån resistansvärden från Murata)

Kurvan i figur 1 visar den högsta graden av icke-linjäritet från 4,7 kΩ-termistorn. Den takt med vilken resistansen hos en NTC-termistor sjunker med temperaturen är en konstant som kallas beta (ß) (visas inte i figuren). För Muratas 4,7 kΩ-termistor är β = 3500.

Korrigeringen av termistorn icke-linjära svar kan åstadkommas i programvara med en analog-till-digitalomvandlare (ADC) med hög upplösning och ett empiriskt tredjegradenspolynom eller en uppslagstabell.

Det finns dock en rimlig, enklare och mindre kostnadskrävande maskinvaruteknik som, när den tillämpas innan den når ADC, kan ta kontroll över termistorns linjäriseringsproblem i ett temperaturområde på ±25 °C.

Maskinvarubaserad linjäriseringslösning

En enkel metod för en förstanivålinjärisering av termistorutmatningen är att seriekoppla termistorn med ett standardmotstånd (1 %, metallfilm) och en spänningskälla. Värdet på det seriekopplade motståndet avgör medianen för det linjära området i termistorkretsen. Termistorns resistansvärde (R_TH) och Steinhart-Hart-ekvationen avgör termistorns temperatur (figur 2). Steinhart-Hart-ekvationen har visat sig vara det bästa matematiska uttrycket för att avgöra en NTC-termistors temperatur.

Figur 2: En spänningsdelarkonfiguration (R_TH och R₂₅) linjäriserar termistorns svar. Det linjära omfånget vid ADC0 (vid ADC-inspänningen) ligger inom ett temperaturområde på cirka 50 °C. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Deriveringen av det faktiska värdet för termistorns resistans, R_TH, börjar med att definiera spänningsdelarens utspänning (V_ADC0). V_ADC0 används sedan för att hitta ADC:ns digitala utgångsdecimalkod, D_OUT, där D_OUT beror på antalet ADC-bitar (N), ADC-maxingångsspänningen (V_REF) och ADC-ingångsspänningen (V_ADC0). Det tredje och slutliga steget i att bestämma R_TH är att multiplicera R₂₅ (eller 25 °C R_TH-värdet) med förhållandet mellan antalet ADC-koder till ADC:ns digitala utgångsdecimalkod. Beräkningsprocessen för det tredje steget börjar med ekvation 2 nedan.

Det slutliga steget i beräkningen är att omvandla termistorns resistans till temperatur i Kelvin med den ovannämnda Steinhart-Hart-ekvationen. Den analoga precisionsmikrostyrenheten ADuC7023 avgör givartemperaturen med ekvation 4:

Ekvation 4

Där:

T₂ = Termistortemperaturen mäts (i Kelvin)

T₁ = 298 Kelvin (25 °C)

β = termistorns β-parameter vid 298 Kelvin eller 25 °C. β = 3500

R₂₅ = Termistorns resistans vid 298 Kelvin eller 25 °C. R₂₅ = 4,7 kΩ

R_TH = Termistorns resistans vid okänd temperatur, enligt beräkning med ekvation 3

I figur 2 är termistormotståndet (R_TH) lika med 4,7 kΩ vid 25 °C. Eftersom värdet på R₂₅ är lika med termistorns 25 °C-värde centreras spänningsdelarens linjära område runt 25 °C (figur 3).

Figur 3: Linjärt svar för en 4,7 kΩ-termistor som seriekopplas med ett standardmotstånd på 4,7 kΩ och 2,4 volt över spänningsdelaren. (Bildkälla: Bonnie Baker, beräknat och ritat utifrån resistansvärden från Murata)

I figur 3 svarar det seriekopplade termistorsystemet mot temperaturen linjärt över ett begränsat temperaturområde på cirka 0 °C till +50 °C. I det här området är deltatemperaturfelet ±1 °C. Linjäriseringsmotståndets värde (R₂₅) ska vara lika med termistorns magnitud vid mittpunkten för det berörda temperaturområdet.

Den här kretsen har normalt 12 bitars precision över ett ±25 °C-temperaturområde, med den nominella temperaturen för termistorn vid R₂₅-värdet.

USB-baserad temperaturmonitor

Signalbanan i kretslösningen börjar med den kostnadseffektiva 4,7 kΩtermistorn följt av Analog Devices ADuC7023-mikrostyrenhet som också är kostnadseffektiv. Mikrostyrenheten innehåller fyra 12-bitars digital-till-analogomvandlare (DAC), ett flerkanaligt 12-bitars successivt approximationsregister (SAR) ADC samt en 1,2-volts intern referens plus en ARM7^®-kärna, 126 kbyte flashminne, 8 kbyte SRAM (static random access memory) samt olika digitala kringenheter som UART, timer, SPI och två I²C-gränssnitt (figur 4).

Figur 4: Temperaturavkänningskretsen använder en USB-anslutning för ström och ADuC7034-mikrostyrenhetens I²C-gränssnitt för digital kommunikation. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 4 sker kommer ström och jord till kretsen helt från den USB-gränssnittet med fyra ledare. Analog Devices ADP3333ARMZ-5-R7 linjära regulator med lågt bortfall använder USB 5-voltstillförseln för att generera 3,3 volts utspänning. Den reglerade ADP3333-utspänning matar ADuC7023:s DVDD-spänning. ADuC7023:s AVDD-tillförsel kräver extra filtrering som visas. Den linjära regulatorn har även ett filter mellan USB-tillförseln och IN-stiftet.

Utbytet av temperaturdata sker också via gränssnittsstiften USB D+- och D-. ADuC7023 kan använda I²C-protokollet för att sända och ta emot data. Den här tillämpningskretsen använder I²C-gränssnittet med två ledare för att sända data och ta emot konfigurationskommandon.

Den här tillämpningen använder följande ADuC7023-funktioner:

• 12-bitars SAR ADC
• En Arm ARM7TDMI med SRAM. 62 kbyte integrerat flashminne kör användarkoden som konfigurerar och styr ADC, hanterar kommunikationen via USB-gränssnittet och behandlar ADC-konverteringar från termistorgivaren.
• I²C-terminalerna är kommunikationsgränssnittet till värddatorn.
• Två externa strömställare\knappar (visas inte) tvingar delen till sitt flash-startläge: Håll ner DOWNLOAD och slå om RESET-strömställaren så går ADuC7023 till startläge istället för normalt användarläge. Det interna flashminnet kan omprogrammeras i startläge med USB-gränssnittet via enhetens förknippade I2CWSD-programvaruverktyg.
• VREF är bandgapreferensen. Den här spänningsreferensen är tillgänglig för andra kretsreferenser i systemet. En kondensator på minst 0,1 mikrofarad (μF) ansluter till de här stiften för bullerreducering.

Eftersom ADuC7023 levereras i litet format (5 mm × 5 mm) med 32-stiftskort ryms hela kretsen på en extremt liten del av ett kretskort, vilket sparar pengar och utrymme.

ADuC7023 ger en lågeffektlösning trots att den har en kraftfull ARM7-kärna och höghastighets-SAR ADC. Hela kretsen förbrukar normalt 11 milliampere (mA) och ARM7-kärnan körs på 5 megahertz (MHz) och den primära ADC:n mäter den externa termistorn. Mikrostyrenheten och/eller ADC:n kan stängas av mellan temperaturmätningarna för att ytterligare minska effektförbrukningen.

Layoutöverväganden

Signalbehandlingssystemet som visas i figur 4 kan vara förvillande. Sett uppifrån innehåller systemet endast tre aktiva enheter. Men dolt i den här enkelheten finns några intressanta layoututmaningar.

Till exempel är ADuC7023-mikrostyrenheten ett komplext analogt och digitalt system som kräver extra uppmärksamhet när det gäller jordningsreglerna. Trots att systemet kan verka långsamt i den analoga domänen är dess kortinterna track-and-hold-ADC en snabb flerkanalig enhet med en samplingsfrekvens på 1 megasample per sekund, med en maximal klockfrekvens på 41,78 MHz. I det här systemet är klockans stig- och falltider några få nanosekunder. Dessa hastigheter placerar tillämpningen i en höghastighetskategori.

Kretsar med blandade signaler kräver förstås extra uppmärksamhet. Här följer en checklista med fyra punkter som täcker in huvudaspekterna:

1. Användningen av elektrolytiska kondensatorer
2. Valet av den mindre kondensatorn
3. Jordplanöverväganden
4. Tillval, små ferritkorn

En stor elektrolytisk kondensator används normalt med ett värde mellan 10 mF och 100 mF och placeras högst två tum från chipet. Dessa kondensatorer fungerar som laddningstankar för att uppfylla de omedelbara laddningskravbehoven som kommer genom strömspårningsinduktans.

De mindre kondensatorerna i kretsen, normalt mellan 0,01 mF och 0,1 mF, placeras så nära enhetens strömstift som möjligt. Syftet med dessa kondensatorer är att snabbt skicka högfrekvensbrus till jord.

Jordplanet, under frånkopplingskondensatorerna, kopplar från högfrekvensströmmar och minimerar EMI/RFI-utsläpp. Det ska bestå av ett stort lågimpedansområde. För att minimera induktansen sker kondensatoranslutningen till jord genom en via eller ett kort spår.

Utöver frånkopplingskondensatorerna i figur 4 kräver EMI/RFI-skyddet till USB-kabeln användning av ferrit. Ferritkornen i den här kretsen är Taiyo Yudens BK2125HS102-T som har en impedans på 1000 Ω vid 100 MHz.

Slutsats

Temperatursensorer är en av de mest använda givarna, men designkraven fortsätter att utmana konstruktörerna att minska kostnader och storlek samtidigt som avkänningsprecisionen ska förbättras. Genom att väga in de här faktorerna har den här artikeln beskrivit implementeringen av ett USB-baserat kommersiellt termistorsystem med låg effekt som använder en liten 12-bitars ADC och ADuC7023-mikrostyrenhetsläsning med hög precision från Analog Devices. Kombinationen lyckas utnyttja ett motstånd för att tämja en NTC-termistor med icke-linjärt beteende att känna av och övervaka temperatur exakt.