使用ADC和MCU测量热敏电阻的电压输出

作为支持模拟和数字温度传感器的高级应用/系统工程师，我遇到了很多关于温度传感器应用的问题。其中许多是关于模数转换器（ADC）的。ADC 非常重要，我花了很多时间谈论它们，包括 ADC 对系统精度的意义以及如何理解和使用所选传感器实现最大系统精度。

温度传感器用于需要监控功率晶体管和散热器的大功率开关电源设计。电池充电系统需要一个温度传感器来监控电池的温度，以便安全充电并优化电池寿命。家用恒温器需要一个温度传感器来监测室温，从而相应地控制供暖、通风和空调系统。

在这些应用中，一种常用的温度测量方法使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻。这些热敏电阻是电阻器件，可随温度改变电阻。

满足当今温度传感需求的一种更新、更高效、更准确的方法是硅基热敏电阻，它是一种正温度系数 (PTC) 器件。PTC 不是电阻器件，而是电流模式器件。在电流模式下工作的硅提供基于温度的线性输出电压。

无论您使用 NTC 还是 PTC，您的设计都需要一个 ADC 和一个微控制器 (MCU) 来测量热敏电阻的电压输出。在本文中，我将回顾带有 MCU 的硅基热敏电阻的许多优点，并讨论 NTC 和 PTC 热敏电阻的优缺点。

单片机选择

选择 MCU 时您有很多选择，但很可能在您选择温度传感器时已经选择了该组件。您可以关注的是温度传感应了解的 ADC 外设细节。

ADC 选择

有许多不同类型的 ADC。最流行的两种是逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和 delta-sigma ADC。Delta-sigma ADC 提供高分辨率（高达 32 位分辨率），但采样速度较慢。SAR ADC 是最古老和最常见的 ADC 类型，具有 8 到 18 位的分辨率和更快的转换速度。对于温度传感，任一 ADC 类型都是不错的选择。

ADC 分辨率

ADC 的位数将决定分辨率，而不是精度。分辨率是 ADC 用于测量施加到 ADC 引脚的模拟电压的步长。分辨率位数以及电压参考 (V REF ) 将设置 ADC 步长的值。

例如，一个 10 位 ADC 有 2个 10 = 1,024 个离散最低有效位 (LSB)，3.3 V DC的 V REF将提供 3.3/1,024 = 0.003226 V DC /ADC LSB 的分辨率。16 位 ADC的总分辨率为2 16 = 65,536 LSB，每个 ADC 位的电压分辨率为 0.000005035 V DC 。更多的 ADC 位意味着更高的测量分辨率，这可以导致更准确的温度。

不要将精度与分辨率混淆。分辨率是查看被测电路值变化的能力。用于温度测量的典型 MCU ADC 运行分辨率为 12 至 16 位。您会发现 8 位或 10 位 ADC 无法提供足够的分辨率来查看热敏电阻的精度，并且温度步长通常较大，这通常是不可接受的。

过采样以获得更高分辨率

过采样是一种平均测量值以提高分辨率和信噪比的方法。过采样的工作原理是将多个温度测量值与噪声相加，然后取平均值以获得更准确的值。对于分辨率每增加一位，信号必须被过采样 4 倍。每 8 次过采样，分辨率将增加 2 位：16 次过采样将使 10 位 ADC 的总分辨率增加到 14 位。

如果样本数量高于奈奎斯特速率，您可以在应用程序中使用任意数量的样本 (N#) 来获得设计所需的分辨率。奈奎斯特率是您想要实际温度读数的频率。样本总数必须至少比实际所需的温度结果快 N# 倍。

使用过采样方法时在输入信号中加入一些抖动噪声可以改善分辨率误差。在许多实际应用中，噪声的小幅增加非常值得大幅提高测量分辨率。在实践中，将抖动噪声置于测量感兴趣的频率范围之外，随后可以滤除数字域中的这种噪声，从而在感兴趣的频率范围内进行最终测量，同时具有更高的分辨率和更低的噪声。

提供抖动噪声的最佳方法是将热敏电阻分压器的公共集电极电压 (V CC ) 和 V REF分开（使用MCU的内部 V REF用于 ADC）。不要在电阻分压器电压检测线上放置电容器。在许多情况下，电路噪声足以抖动电阻分压器电压以进行平均。抖动噪声必须等于四位或更多位的幅度。V REF为 3.3 V DC的 10 位 ADC的电压步长为 0.0032 V DC. 抖动噪声必须至少高于和低于预期温度测量的四位分辨率。10 位 ADC 的最小抖动噪声需要比 ADC 的最低有效位高 ±0.0128 V DC（0.0256 V DC峰峰值）或更高，以便提供必要的电平以适当地将 ADC 位分辨率提高平均。

在 ADC 读入一个位值并计算温度后，您可以将该值存储在先进先出 (FIFO) 软件阵列中。当一个新值进入数组时，最旧的样本被丢弃，所有其他样本都转移到下一个相应的单元格，从而创建一个 FIFO。可以将这种平均方法应用于温度转换过程中使用的任何值，包括温度、ADC 位值、分压器电压，甚至计算出的电阻。所有这些因素在平均时都会很好地发挥作用。

定点或浮点

如果您必须在没有硬件的情况下进行浮点数学运算，MCU 内部可能有浮点单元硬件或可用的固件库。32 位非浮点设备的快速示例包括 Arm Cortex-M4 设备；带有浮点的版本被标记为 Cortex-M4F。与使用定点设备和浮点固件库相比，在 MCU 中安装浮点硬件可以加快计算时间，并且需要更少的功率。

有一个固定点意味着只能使用大于零的整数。例如，1 + 1 = 2，平均为 1。如果将 2 + 1 相加得到 3，则平均为 1.5。在定点计算中，结果将为 1，小数点以下没有数字。

使用固定点测量温度时，您只能看到和参考整数的温度：22°C、23°C、24°C。浮点可以更高分辨率地显示温度：22.1°C、22.15°C。使用浮点计算温度的数学运算更容易，或者您可以使用带有插值的查找表。您还可以使用具有固定点和个位数分辨率的查找表，这对于许多应用程序都是可以接受的。

选择热敏电阻

热敏电阻有两种类型：NTC 和 PTC，通常被认为是同一类型的器件。这是不正确的。NTC 是一种电阻装置，可随温度改变电阻。NTC 的实施需要在热敏电阻顶部放置一个电阻器并施加稳压电压，如图 1 所示。当温度变化时，热敏电阻中的电阻会发生变化，从而改变 R偏置电阻上的电压降。分压电阻器中心的输出是模拟电压，将由 ADC 测量。

PTC 是一种基于电流运行的硅器件。随着温度的变化，传导电流也会发生变化。大多数 PTC 使用恒流源运行，如图2 所示。当电流发生变化时，电流源提供的电压也会发生变化。

ADC 测量电压的变化，然后将测量值转换为温度。

您也可以像使用带有 R偏置电阻的 NTC 热敏电阻一样使用 PTC，如图 1 所示。顶部电阻器将充当您的电流源。PTC 通常对温度变化具有更好的热敏感性，并且在相同条件下与 NTC 相比，对微小变化的响应能力更强。

图 1：分压器电路实现（左）和图 2：恒流电路实现（右）

PTC 的另一个好处是它在 V temp连接处具有线性输出（如图3所示），使其更易于校准。V temp连接处的线性输出也使器件在整个温度范围内更加准确。

图 3：PTC 热敏电阻线性电阻斜率

NTC 具有类似于图 4中所示的非线性输出，并且可能需要在温度室中进行三点校准以允许斜率补偿，以及偏移误差调整以在整个温度范围内保持准确。NTC 的非线性斜率在没有校准的情况下在整个温度范围内提供稳定的温度信息时不一致。

图 4：NTC 热敏电阻非线性电阻斜率

在正常情况下，NTC 可以使用具有合理温度分辨率的 12 位 ADC，尤其是在较冷的温度下。然而，PTC 通常需要一个 14 位 ADC 才能获得足够的分辨率来查看温度阶跃。PTC 在所有温度下都需要 14 位 ADC，但 NTC 需要 14 位 ADC 来测量 60°C 以上的温度。

在PTC 顶部添加一个 R偏置电阻器会减小其动态范围。较低的动态范围是 ADC 的降低电压反馈；这就是 PTC 需要 14 位 ADC 分辨率的原因。然而，由于 PTC 的线性斜率，较低的动态范围将导致较大的温度误差测量。室温下的单点偏移将在整个温度范围内校准 PTC。对于基于 PTC 的系统，这将使温度测量在整个温度范围内比典型的（同样指定的）基于 NTC 的系统更准确。

比例的

图 5：比率法，由同一电源为电阻分压器和 VREF供电

术语“比率”描述了捕获的 ADC 值，它可以与电源电压的变化成比例地变化。当供给温度检测电路的分压器的V CC电源也供给用于V REF的电压时，如图5所示，它是比例的。V CC的任何变化都会在分压器和 V REF处同时发生类似的变化，从而影响 ADC 的测量值，从而最大限度地减少这些源之间的潜在差分误差。

比率方法可以提高系统的总准确度。在实施不使用平均或过采样的基于热敏电阻的温度传感器时，为分压器和ADC的VREF使用相同的电压源非常重要。

过滤

大多数情况下不需要在分压器上使用电容器，并且在对单端 ADC 采用比率方法时不应使用该电容器。对于差分 V REF /ADC 输入，您通常会在 ADC 输入和 V REF输入之间放置一个电容器。

使用比率法过滤 V temp会改变感应线上的电压响应，但不会改变 ADC V REF。因此，添加一个滤波器会增加电阻分压器的 V REF和 V CC输入之间的差分误差。

当不使用比率法时，在分压器上增加电容可以过滤电压，消除噪声和电压变化，否则会在测量中产生误差。添加一个电容器对 V REF进行滤波也是一个好主意。有时 V REF是内部的，不需要额外的滤波。在 V temp线上添加一个电容器可以增加对温度变化的响应时间。如果测得的温度响应缓慢且不需要立即采取措施，则此过滤器可能会带来好处。

另一种方法是在电阻分压器顶部为 V CC添加一个电容器，以滤除系统中的噪声以进行温度测量。如果使用比率法，将相同的电容器添加到 V REF将使两个电源的电压变化保持一致。

缓冲器和放大器

放大器可以增加热敏电阻的动态范围。所有运算放大器都有潜在的失调误差和增益误差。选择对精度和偏移影响最小的运算放大器需要一些努力。校正失调和增益误差所需的校准可能比升级到更高质量的 ADC 成本更高。一些 MCU 具有内部运算放大器。许多 DS ADC 都为此目的（缓冲/增益）集成了 PGA。一些 SAR ADC 也具有这些特性。

有时使用单位增益缓冲器来防止电阻分压器电路下降或负载。当 ADC 对热敏电阻分压器电路进行采样时，来自 ADC 的浪涌电容会对测量造成几毫伏的压降。如果您在 ADC 中有足够的分辨率，您将在温度测量中将此视为错误。如果直接在 ADC 引脚上添加一个电容，等于 ADC 电容的 10 倍，则无需借助缓冲器即可补偿 ADC 电容的浪涌电流。典型的 ADC 电容为 3 pF 至 20 pF。在尽可能靠近 ADC 引脚的位置添加一个 30 pF 至 200 pF 的电容器将对热敏电阻的测量或热响应的影响最小。

漂移

由于 PTC 热敏电阻使用硅作为其基础材料并具有线性斜率，因此，通过 PTC 的电流随时间和温度的漂移非常低。NTC 通常对所用材料的电阻具有温度依赖性，该电阻会在高温下随时间而变化。NTC 有一个 beta 值，用于定义温度范围内的电阻温度系数（以百万分之几 (ppm) 为单位），并且还会随时间产生 ppm 漂移。

从 ADC 导出温度

NTC 热敏电阻温度基于设备的电阻。许多设计人员使用查找表来查找特定温度下的电阻，然后计算（通过线性插值）每个 1°C 温度步长之间的实际温度。为了尽量减小查找表的大小，可以使用 5°C 的查找表，但插值误差会稍高一些。对于大多数设计人员来说，0.5°C 的分辨率已经绰绰有余，因此带有插值的 5°C 表格最终就足够了。

PTC 基于通过设备的实际电流，通常由公式定义。PTC 基于三阶或四阶多项式。四阶多项式具有更精确的曲线拟合 (R 2 )，精度为 1.0000% 到 0.9999%，以提供温度信息。Steinhart-Hart 方程使用具有自然对数的三阶多项式来计算温度。

更多设计师认可 Steinhart-Hart 方程，因为它最初是在多年前为 NTC 创建的。尽管您可以将方程用于 NTC 或 PTC，但如今大多数高精度 PTC 依赖于四阶多项式。

校准

所有 NTC 和 PTC 都需要校准才能准确。一些 NTC 可提供更严格的公差和 beta 值，这似乎可以消除校准；然而，热敏电阻并不是系统中唯一的组件。V Bias电阻器在温度范围内具有容差和 ppm；V CC有电压误差以及随温度变化的电压偏移。总系统精度可能比预期的超出公差范围，并且精度可能不是您想要的。

NTC 通常需要一个三点校准来调整斜率误差和一个偏移来校正总误差。三点校准需要温度室和时间，以收集温度范围内的误差。考虑到硅的工艺偏差，PTC 一开始就会有较大的偏移误差，但它可以通过单次偏移调整在整个温度范围内进行校正。在大多数情况下，您可以在装配的最终编程期间在室温下进行偏移调整；您不需要温度室，也不需要时间让别人进行校准。

结论

NTC 和 PTC 都易于实施，元件数量少，成本低。然而，NTC 可能需要更昂贵的校准方法，并且随着时间的推移会增加漂移。

PTC 提供了一种更好的方法来进行温度测量。一个简单的偏移校正是整个温度范围内唯一需要的校准。PTC 非常准确，温度测量随时间和温度的漂移很小。

需要明确的是，NTC 和 PTC 不是同一类型的组件，而且很难（如果不是不公平的话）仅通过阅读数据表进行直接比较。PTC 不是电阻元件，大多数供应商建议只使用恒流源来驱动它们。

德州仪器 (TI) 创建了一个可下载的设计工具，向您展示如何在电阻分压器电路中使用其TMP61系列PTC 。该工具包括一个计算阻力表，供那些喜欢使用查找表的人使用。使用新的设计考虑和正确的计算方法可以实现比 NTC 更准确和更稳定的 PTC。

　　审核编辑：汤梓红