32usb电路_【干货】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&＃xff0c;应用范围包括校准、安全、暖通空调 (HVAC) 等。尽管应用广泛&＃xff0c;但是设计人员若要以最低的成本实现最高精度的性能&＃xff0c;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&＃xff0c;选择合适的传感器只是解决方案的一部分。在此之后&＃xff0c;所选传感器必须连接信号链&＃xff0c;该信号链不仅要保持信号完整性&＃xff0c;还要精确补偿特定检测技术的独有特性&＃xff0c;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&＃xff0c;结合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模拟微控制器来精确监测温度。

热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器&＃xff0c;可分为两种类型&＃xff1a;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&＃xff0c;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&＃xff0c;随着温度升高而电阻值下降&＃xff0c;因而适用于精密温度测量。

NTC 热敏电阻共有三种工作模式&＃xff1a;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&＃xff0c;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&＃xff0c;该器件电阻值为4.7kΩ&＃xff0c;采用0603封装&＃xff0c;电阻-温度特性具有高度非线性(图1)。

如图 1 曲线所示&＃xff0c;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&＃xff0c;称为 β(图中未显示)。对于 Murata 的 4.7 kΩ 热敏电阻而言&＃xff0c;β &＃61; 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&＃xff0c;可以在软件中校正热敏电阻的非线性响应。

然而&＃xff0c;有一种硬件技术效果更佳、应用更简单且成本更低&＃xff0c;只需应用于 ADC 之前&＃xff0c;就可以解决 ±25℃ 温度范围内的热敏电阻线性化问题。

实现热敏电阻输出初步线性化的简单方法是&＃xff0c;将热敏电阻与标准电阻器(1%&＃xff0c;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&＃xff0c;可确定热敏电阻的温度(图 2)。据证实&＃xff0c;Steinhart-Hart 方程是确定 NTC 热敏电阻温度的最佳数学表达式。

为推导热敏电阻的实际电阻值 RTH&＃xff0c;首先要确定分压器输出 (VADC0)&＃xff0c;然后使用 VADC0 求得 ADC 数字输出十进制代码 DOUT&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff1a;

等式 4

其中&＃xff1a;

T2 &＃61; 测量的热敏电阻温度(以 K 为单位)

T1 &＃61; 298 K (25℃)

β &＃61; 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻 β 参数。β &＃61; 3500

R25 &＃61; 298 K 或 25℃ 时的热敏电阻值。R25 &＃61; 4.7 kΩ

RTH &＃61; 未知温度时的热敏电阻值&＃xff0c;由等式 3 计算

图 2 中&＃xff0c;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&＃xff0c;因此分压器的线性区间以 25℃ 为中心(图 3)。

图 3 中&＃xff0c;热敏电阻串联电路约在 0℃ 至 &＃43;50℃ 的有限温度范围内可实现线性温度响应。在此范围内&＃xff0c;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&＃xff0c;该电路可实现的精度典型值为 12 位&＃xff0c;热敏电阻的标称温度为 R25 的阻值。

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&＃xff0c;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&＃xff0c;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 中&＃xff0c;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&＃xff0c;如图所示。此外&＃xff0c;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&＃43; 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&＃xff1a;

• 12 位 SAR ADC。

• 带 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。集成的 62 KB 内部闪存用于运行用户代码&＃xff0c;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&＃xff1a;使 DOWNLOAD 保持低电平并切换 RESET 开关&＃xff0c;ADuC7023 将进入引导模式&＃xff0c;而不是正常的用户模式。在引导模式下&＃xff0c;利用 USB 接口连接器件相关的 I2CWSD 软件工具&＃xff0c;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)&＃xff0c;采用 32 引脚芯片级封装&＃xff0c;因此整个电路占用的印刷电路板空间极小&＃xff0c;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&＃xff0c;但仍能提供低功耗解决方案。整个电路的典型功耗为 11 mA&＃xff0c;ARM7 内核时钟速度达 5 MHz&＃xff0c;主 ADC 用于测量外部热敏电阻。在两次温度测量之间&＃xff0c;可以关闭微控制器和/或 ADC 以进一步节省功耗。

图 4 所示的信号处理系统很容易导致误解&＃xff0c;乍看之下&＃xff0c;该系统仅包含三个有源器件&＃xff0c;但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。

例如&＃xff0c;ADuC7023 微控制器是相当复杂的模拟数字系统&＃xff0c;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”&＃xff0c;但片上采样保持 ADC 却是高速多通道器件&＃xff0c;采样速率高达 1 MS/s&＃xff0c;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&＃xff0c;因此该应用属于高速应用。

显然&＃xff0c;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&＃xff1a;

1. 使用电解电容器

2. 选择较小的电容器

3. 接地平面注意事项

4. 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&＃xff0c;距离芯片不超过 2 英寸。此类电容器可充当电荷储存器&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;100 MHz 时的阻抗为 1000 Ω。

温度传感器是应用最广泛的传感器之一&＃xff0c;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&＃xff0c;又要提高检测精度。考虑到这些要求&＃xff0c;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&＃xff0c;可精确检测和监视温度。

注&＃xff1a;本文转载自&＃xff1a;Digikey网站&＃xff0c;版权归原作者所有&＃xff0c;如涉及侵权&＃xff0c;请联系小编删除。