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模拟温度传感器更快速更轻松地开发数字温度计

Created by 儒卓力电阻器产品技术支持Bert Weiss和威世非线性电阻产品营销工程师Alain Stas |   Asia Knowledge

病患、周日烤肉、淋浴或水族箱用水——在这些情况下更多地用数字温度计来测量温度,而不是模拟温度计。温度传感器的选择对开发工作具有决定性作用。一款免费的模拟程序使得这项任务变得更加容易,同时有助于节省时间和费用。

在开发数字温度测量电路时,必须首先确定在纯机械方面的设计。不过,这里不会考虑这些事项。那么接下来是考虑电热方面事项,在这个方面,需要回答以下问题:

 

  • 预期的温度范围是多少?

  • 需要哪种级别的测量精度?

  • 使用哪类温度传感器?

  • 传感器电气特性容差有多大?

  • A/D转换器应提供哪种最小比特率?

  • 传感器的信号采样率必须多高?

  • 在应用中所有其他无源组件的数值和容差有多大?

 

确定温度范围和测量精度尤为重要,因为它们决定了后续步骤。例如,这个用例中的温度范围应为+ 25°C至+ 150°C,整体精度必须为±2°C。在这种情况下,可以使用的温度传感器有两种:一种是高灵敏度但非线性的热敏电阻,另一种则是电阻温度装置(RTD),比如灵敏度较低的线性铂金温度传感器。

 

选择合适的传感器:不是容易的决定

 

选择合适的传感器时,确定哪一个传感器可用于达到所需的规格是很重要的。仅仅回答上面列出的每个问题是不够的。由于各种参数表现出复杂的相互作用,即它们彼此影响。通常来说,一个系统的限制因素决定了测量的准确性。如果这是未知的,将剩余参数的容差降低到接近零几乎是没有作用的。例如,如果使用精密热敏电阻的目标是进行精度优于±0.2°C的温度测量,同时使用了简单的8位A/D转换器,就会显着降低热敏电阻的测量精度。反过来也是如此:如果使用中等精度的传感器,24位A/D转换器的应用便没有很大意义了。如果要检测最小的温差,建议使用具有高差分线性度的ADC和校准算法。

 

另一种实现最精准测量的方法是使用具有线性温度特性的A级铂金传感器(在0°C时为±0.15°C)。然而,其温度系数低于热敏电阻的温度系数,即必须放大测量信号。这需要额外的硬件并带来更多的容差。

 

显然,这使得组件的选择成为一项复杂的任务,通常需要进行大量的测试。这需要花费时间和金钱。如果可以选择具有一定容差的传感器、A/D转换器精度和其他硬件组件,设置“虚拟样机测试系统”,并且进行的模拟操作可以即时显示可实现的精度,那么这项工作就会更容易、更快捷。这正是基于PSpice的仿真程序,它们大多是免费的,即便它们是模拟仿真软件。由于PSpice及其众所周知的“轻型”版本可以模拟数字温度计的任何过程,如图1所示(尽管看起来与基于RTD的电路相似,但这其实是基于热敏电阻的电路)。

 

数字温度计的组件

  

不管你是选择NTC(负温度系数)热敏电阻还是铂金RTD作为温度传感器,这些组件的SPICE模型很容易找到。此外,该电路包含一个由热敏电阻和一个固定电阻组成的分压器,低压电源提供测量电流。在放大并通过适当的ADC进行滤波后,将得到数字化的电压。理想的组件是JRC的新型模拟前端(NJRC9103),它可以直接连接温度传感器。这款AFE直接提供数字数据,还提供各种用于偏移补偿的校准功能,微处理器利用它来计算温度。

 

直接瞬态电路仿真(图2)显示了应用的温度曲线、传感器的延迟和斜率响应以及信号的数字化。可以在图中下半部分看到读出温度的时间偏差。为了更容易识别数字化,我们选择了10位的较低A/D转换器分辨率和200ms的长采样时间用于模拟操作。

 

传感器的特性和容差,如本示例中使用的威世NTCALUG系列10kΩ NTC热敏电阻,以及固定电阻,可以使用Spice轻松模拟。借助模拟行为建模电压源,执行信号的数字化和数字化原始测量数据到温度的转换操作。有趣的是,A/D转换器的位数(n)现在是模拟操作的参数,并且可以在8和24之间变化。采样/保持模块的采样时间(tone)也是可变参数。使用Sigma Delta ADC时,可以省去外部采样/保持,特别是因为温度变化通常发生在100 ms范围内。

 

在此示例中,10ms采样时间是第一个需要设置的参数。然后可以通过输入8到24位之间的值来确定理想的A/D转换器分辨率。当计算误差函数作为读出温度和热敏电阻温度之差的有效值时,在n>16分辨率下误差不会进一步降低,如图3所示。

 

或者,也可以优化串联电阻器R1以实现最小误差值。图4说明了Rs串联电阻的误差函数在4.7 kΩ下达到最小值。在SPICE指令中定义ERR(错误)函数用于模拟操作(参见图1)。

 

在下一步骤中,改变热敏电阻和固定电阻器R1的容差,并且针对每个容差执行基于这些容差的最坏情况分析。图5至图7显示了三种情况:图5显示了NTC的结果,其中dR25/R25 = ±1%,B25/85容差为±0.5%,结合威世的0.5%薄膜TNPW系列扁平芯片电阻器。在这种情况下,测量不确定度从25°C时的±0.4°C增加到在100°C时的±1.5°C。 这项模拟适用于最坏情况。考虑到NTC的R25和B25/85容差以及固定电阻R1,23 = 8示例的容差,白色曲线是参考曲线。图5中的模拟数值显示容差值是均匀分布的,这意味着,相对于彼此的容差,电阻器的选择是适当的。

 

图6显示,通过将所有电阻容差减半,温度测量不确定度可以减半(热敏电阻为R25 = 0.5% 和 B25/85 = 0.25%,固定电阻则为0.25%)。 然而,这有点过于激进了,因为我们怀疑是否所有电阻供应商都能够保证B25/85值为±0.25%。比如,B25/85系数的常见值是±1.5%。如果使用与图5中相同的数值执行相同的模拟操作,而B容差为±1.5%,可以达到图7中所示结果。由于高温下相对较大的测量误差,它们表明设计不理想。我们还可以清楚地看出,最坏情况分析的容差值结果分布也不理想。

 

这表明:可以使用相对简单的模拟电路,并按照组件参数将温度测量电路的整体精度可视化,这是进行附加实验以减少开发时间和成本的理想起点。

图1:数字温度计的简化仿真电路图。所有图片来源:威世