熱敏電阻系統(tǒng)優(yōu)化
    使用易于使用的工具，例如熱敏電阻配置器和誤差預算 計算器，客戶可以輕松地在他們的系統(tǒng)中配置熱敏電阻，包括接線和連接圖。該工具使用比例配置的激勵電壓設計熱敏電阻系統(tǒng)。它還允許客戶調(diào)整設置，例如傳感器類型、被測溫度范圍、線性化和外部組件，如圖 1 所示。它確保 ADC 和熱敏電阻傳感器都在規(guī)格范圍內(nèi)使用。因此，如果客戶選擇了不受支持的選項，該工具會標記這是一個錯誤情況。例如，如果客戶選擇的溫度值超出特定熱敏電阻型號的工作范圍，則會顯示錯誤，如圖 2 所示。
    該工具使用戶能夠了解不同的錯誤來源，并且還允許進行設計優(yōu)化。請注意，該工具是圍繞AD7124-4 / AD7124-8設計的，因此它還決定了可以連接到單個 ADC 的傳感器數(shù)量。為了理解該工具的重要性，讓我們來看看熱敏電阻中使用的不同設計考慮因素。

    圖 1. 熱敏電阻配置器。

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    圖 2. 越界情況。
    系統(tǒng)配置（激勵、增益和外部組件）
    與 RTD 類似，熱敏電阻也容易自熱，因為電阻器在電流流過時會耗散功率。因此，設計人員必須將熱敏電阻的工作電流保持在盡可能低的水平，以使其功耗不會對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。首先，設計人員傾向于選擇較高值的激勵電壓來產(chǎn)生較高的輸出電壓，以便充分利用 ADC 的輸入范圍。然而，由于熱敏電阻傳感器具有負溫度系數(shù)，其電阻值會隨著溫度的升高而降低，因此流過它的電流值過高會導致較高的功耗，從而導致自熱。
    從好的方面來說，熱敏電阻不需要更高的激勵源值，因為其更高的靈敏度特性可以在指定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生從毫伏到伏的輸出電壓。因此，使用 ADC 參考電壓值等激勵電壓就足夠了，它允許比例配置。通過將 PGA 增益設置為 1，該技術(shù)還可確保整個熱敏電阻輸出電壓范圍或 ADC 模擬輸入上的電壓始終處于 ADC 工作輸入范圍內(nèi)。該工具使用 AD7124-4/AD7124-8 上可用的內(nèi)部 2.5 V 基準。當增益為 1 時，PGA 也會斷電，從而降低整體電流消耗。AD7124-4/AD7124-8 還集成了允許在外部使用無限電阻和/或電容值的模擬輸入緩沖器，使其非常適合直接連接到外部電阻型傳感器，例如熱敏電阻或連接電磁能力 (EMC) 濾波，無需添加任何錯誤。但是，在啟用模擬輸入緩沖器的情況下以 1 的增益使用 ADC 時，必須確保滿足正確操作所需的余量。該工具還允許設計人員平衡外部元件的選擇，包括外部余量電阻器的允許范圍和推薦的檢測電阻器值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供了常用熱敏電阻類型的列表，并允許設計人員在其中輸入任何類型的 NTC 熱敏電阻的標稱值和 beta (β) 或 Steinhart-Hart 常數(shù)的選項。傳感器的精度、外部元件及其對系統(tǒng)誤差的貢獻以及傳感器使用的線性化技術(shù)的影響將在后面討論。
    過濾和功率考慮
    Sigma-delta ADC 使用數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的頻率響應在采樣頻率和采樣頻率的倍數(shù)處提供 0 dB 的衰減。這意味著濾波器響應反映在采樣頻率周圍，因此需要模擬域中的抗混疊濾波器。由于 sigma-delta ADC 固有地對模擬輸入信號進行過采樣，因此簡化了抗混疊濾波器的設計，因此一個簡單的（單極點）RC 濾波器就足夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8 只需要一個與每個模擬輸入串聯(lián)的 1 kΩ 電阻，一個從 AINP 到 AINM 的 0.1 μF 電容，以及一個從每個模擬輸入引腳到 AVSS 的 0.01 μF 電容。
    在大多數(shù)工業(yè)應用或過程控制中，額外的穩(wěn)健性是首要任務之一。系統(tǒng)可能會遇到來自其鄰近組件或環(huán)境的噪聲、瞬變或其他干擾。出于 EMC 目的，通常在模擬輸入上使用較大的 R 和 C 值。但是，請注意，當轉(zhuǎn)換器在增益為 1 的非緩沖模式下運行時，輸入直接進入調(diào)制器的采樣電容器，因此較大的 RC 值會導致增益誤差，因為 ADC 沒有足夠的時間來穩(wěn)定采樣時刻之間。緩沖模擬輸入可防止這些錯誤。
    來自主電源的干擾也會影響測量結(jié)果。因此，當設備由主電源供電時，50 Hz/60 Hz 抑制也是系統(tǒng)要求之一。AD7124-4/AD7124-8 等窄帶寬 Σ-Δ ADC 的另一個好處是它提供靈活的數(shù)字濾波選項，可以將陷波設置為 50 Hz 和/或 60 Hz。
    選定的濾波器類型以及編程的輸出數(shù)據(jù)速率會影響建立時間及其噪聲性能。該器件還提供不同的功率模式，允許用戶調(diào)整 ADC 以獲得功率、速度或性能。系統(tǒng)的電流消耗或功率預算分配在很大程度上取決于終應用。如果系統(tǒng)需要更高的輸出數(shù)據(jù)速率和更好的噪聲性能，則可以將器件配置為全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要有限的功耗，則設備可以在中等或低功率模式下運行。
    除了準確性或性能，時間也是一個因素。在大多數(shù)應用中，需要滿足特定時間才能執(zhí)行所有測量。如果啟用多個通道——即使用多個傳感器——設計人員需要考慮通過數(shù)字濾波器的延遲。在多路復用 ADC 中，當啟用多個通道時，每次切換通道時都需要建立時間；因此，選擇穩(wěn)定時間較長的濾波器類型（即 sinc4 或 sinc3）會降低整體吞吐率。在這種情況下，后置濾波器或 FIR 濾波器可用于以較低的建立時間提供合理的同步 50 Hz/60 Hz 抑制，從而提高吞吐率?？梢酝ㄟ^熱敏電阻配置器測試所有濾波器選項和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集 和錯誤預算計算器。這將產(chǎn)生預期的噪聲性能，并將提供給將在下一節(jié)中討論的系統(tǒng)誤差計算。請注意， Virtual Eval 在線工具提供了完整的輸出數(shù)據(jù)速率/FS 值/吞吐率選擇。Virtual Eval 顯示不同場景的時序，可用于評估 ADC 的時序性能，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器。
    錯誤預算計算
    如前所述，熱敏電阻配置器和誤差預算計算器允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得性能。圖 3 中所示的誤差預算計算器可幫助設計人員了解與 ADC 相關(guān)的誤差以及來自系統(tǒng)配置的誤差（有無內(nèi)部或系統(tǒng)校準）。系統(tǒng)錯誤餅圖指示系統(tǒng)的哪個部分對整個系統(tǒng)錯誤的貢獻。因此，客戶可以修改 ADC 或系統(tǒng)配置以獲得性能。
   所示，ADC 引起的誤差并不是整個系統(tǒng)誤差的主要誤差來源。在整個溫度范圍內(nèi)運行時，外部組件及其溫度系數(shù)或溫度漂移規(guī)格通常是整個系統(tǒng)的主要誤差來源。
    例如，如果我們在工具中將感測電阻溫度系數(shù)從 10 ppm/°C 更改為 25 ppm/°C，您會發(fā)現(xiàn)整體系統(tǒng)誤差將顯著增加。因此，重要的是選擇具有更好初始精度和更低溫度系數(shù)的檢測電阻器，以限度地減少任何可能的溫度漂移誤差。
    AD7124-4/AD7124-8 提供不同的校準模式，可用于進一步減少測量誤差。建議在加電或軟件初始化時進行內(nèi)部校準，以消除 ADC 在標稱溫度下的增益和偏移誤差。請注意，該工具使用的增益設置為 1。AD7124-4/AD7124-8 的出廠校準增益為 1，所得增益系數(shù)是器件的默認增益系數(shù)。因此，該器件不支持增益為 1 時的進一步內(nèi)部滿量程校準。請注意，標稱溫度下的內(nèi)部校準僅消除 AD7124-4/AD7124-8 增益和失調(diào)誤差，而不是增益和失調(diào)誤差以及任何漂移由外部電路產(chǎn)生的錯誤。執(zhí)行系統(tǒng)校準可以消除外部錯誤。在不同的溫度點進行校準也可以改善漂移性能。但是，這會增加額外的成本和工作量，并且可能不適合某些應用程序。
    故障檢測
    對于任何惡劣環(huán)境或安全優(yōu)先的應用，診斷功能變得越來越重要，甚至是必需的。即使對于不安全的設計，診斷也能增加穩(wěn)健性，確保設計的所有模塊都正常運行，并且處理器只接收有效數(shù)據(jù)并根據(jù)有效數(shù)據(jù)采取行動。AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式診斷功能減少了對外部元件實施診斷的需求，從而提供更小、更簡單、更省時、更省錢的解決方案。診斷包括：
    檢查模擬引腳上的電壓電平以確保其在指定的工作范圍內(nèi)
    參考電壓檢查
    串行外設接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗 (CRC)
    內(nèi)存映射上的 CRC
    信號鏈檢查
    這些診斷導致更強大的解決方案。
    熱敏電阻系統(tǒng)評估
    在概念化系統(tǒng)設計并了解預期的系統(tǒng)性能之后，設計人員的下一步是制作原型并驗證設計的性能。CN-0545是 Circuits from the Lab 參考設計，它利用EVAL-AD7124-4 / EVAL-AD7124-8評估板及其評估軟件為精度為 0.1°C 的熱敏電阻提供測量數(shù)據(jù)。CN-0545 中的電路使用一個 10 kΩ 的 44031 型 NTC 熱敏電阻傳感器，其指定測量范圍為 –50°C 至 +150°C，在 0°C 至 +70°C 之間的精度為 ±0.1°C，并且a 在更寬的溫度范圍內(nèi)為 ±1°C。
  顯示了 CN-0545 的測量結(jié)果。該測量數(shù)據(jù)是使用 AD7124-4/AD7124-8 評估板捕獲的，這些評估板包括熱敏電阻演示模式，可測量熱敏電阻電阻并使用傳感器的 Steinhart-Hart 常數(shù)計算等效 °C。該圖顯示了實際的性能結(jié)果。如果將其與誤差預算計算器進行比較，實際結(jié)果可能會比該工具提供的估計值更好。這種差異是由于該工具對所有參數(shù)都使用了值，因此它提供了電路的壞情況分析。實際上，系統(tǒng)中使用的電子元件和組件的傳感器漂移、初始精度和溫度漂移并不總是處于指定的值。
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    圖 4. 熱敏電阻溫度精度測量，后置濾波器，低功耗模式，25 SPS。
    提供這種經(jīng)過驗證的靈活參考電路板對系統(tǒng)設計人員很有價值，因為它可以縮短設計周期并提供良好的電路技術(shù)。除了硬件之外，該軟件還支持針對每個熱敏電阻傳感器的不同系統(tǒng)優(yōu)化和校準技術(shù)，以滿足市場對易于使用、高精度和可靠信號鏈解決方案的需求。
    提供設計人員工具和硬件演示模式電路可以簡化設計過程，但系統(tǒng)設計人員處理測量的方法不同，并且可能使用不同的控制器進行軟件處理。為了進一步簡化開發(fā)過程，可以使用一個簡單的固件應用程序AD7124 溫度 測量演示示例，通過選擇控制器板、軟件平臺、設備配置和測量傳感器（例如熱敏電阻）來生成自定義代碼。這個開源 Mbed 平臺提供了支持超過 150 個控制器板的能力，無論是否修改。因此，它可以實現(xiàn)快速原型設計和更快的開發(fā)階段。
    結(jié)論
    本文表明，設計基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)是一個具有挑戰(zhàn)性的多步驟過程。為了簡化系統(tǒng)設計人員的旅程，熱敏電阻配置器和誤差預算計算器以及虛擬評估、評估板硬件和軟件、Mbed 固件和 CN-0545 可用于解決不同的挑戰(zhàn)，例如連接問題和整體錯誤預算，使用戶的設計更上一層樓。
    使用高度集成的低帶寬 sigma-delta ADC 可進一步減少設計工作量，因為它們提供了激勵、調(diào)節(jié)和測量傳感器所需的構(gòu)建塊，同時消除了 50 Hz/60 Hz 抑制等問題。