|基于热敏电阻的温度传感系统(下)系统优化与评价

简介

正如本文系列前面讨论的那样,基于热敏电阻的应用程序解决方案的设计和优化涉及到各种挑战。这些挑战包括上一篇文章中介绍的传感器选择和电路配置。其他测量优化——包括ADC配置和外部组件选择,还有通过确保ADC在规范范围内工作和进行系统优化来实现目标性能和确定与ADC和整个系统相关的错误原因的问题。

热敏电阻系统优化

热敏电阻配置器和错误预算计算器等易于使用的工具使客户能够轻松配置系统的热敏电阻,包括布线和连接图。该工具将具有激励电压的热敏电阻系统设计成比例配置。此外,如图1所示,还可以调整传感器类型、测试的温度范围、线性化和外部组件等设置。确认ADC和热敏传感器在规格范围内使用。因此,如果客户选择了不支持的选项,则工具将显示为错误条件。例如,如果客户选择超出特定热敏电阻型号操作范围的最高温度值,则会显示错误,如图2所示。根据建议的范围值,可以验证系统配置是否满足传感器和电子设备的操作条件。

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图1。热敏电阻组成器

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图2。边界条件

使用此工具,您可以了解各种错误来源,并优化设计。此工具是围绕AD7124-4/AD7124-8设计的,因此还确定了可连接到单个ADC的传感器数量。为了理解该工具的重要性,徐老师需要考虑的各种设计要素如下。

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系统配置(激励、增益和外部元件)

RTD一样,热敏电阻也容易发生自身发热。因为电流流动时电阻消耗电力。因此,设计师必须将热敏电阻的工作电流保持在尽可能低的水平,以确保功耗不会对测量结果产生太大影响。首先,为了充分利用ADC的输入范围,设计师倾向于选择更高的激励电压值,从而产生更高的输出电压。但是热敏传感器具有随着温度升高电阻减小的负温度系数,因此流动的电流值越大,功耗越高,从而产生自热。

从好的方面来说,热敏电阻不需要高激励源值。这是因为在额定温度范围内,高灵敏度特性可以从毫伏到伏产生输出电压。因此,使用激励电压(如ADC基准电压值)就足够了,并支持比率配置。此外,通过将PGA增益设置为1,可以确保热敏电阻全部输出电压范围或ADC模拟输入端的电压始终在ADC操作输入范围内。此工具使用AD7124-4/AD7124-8提供的内部2.5V基准电压。如果使用1倍的增益,PGA也会关闭,总电流消耗会减少。此外,AD7124-4/AD7124-8集成了模拟输入缓冲区,允许外部使用不受大小限制的电阻和/或容量值,因此非常适合直接连接到外部电阻传感器(如热电阻),或连接电磁兼容性(EMC)过滤器,而不增加错误。但是,如果增益为1时使用ADC,并且希望模拟输入缓冲区,则必须提供正确操作所需的裕量。设计师还可以平衡外部元件选择,包括外部余量电阻的允许范围、建议的检测电阻值、公差和漂移性能。热敏电阻工具还提供了常用热敏电阻类型的列表,并允许设计者输入所有类型的NTC热敏电阻标称值和(Beta)或Steinhart-Hart常数。稍后将讨论传感器的准确性、外部组件和对系统故障的贡献,以及传感器使用的线性化技术的影响。

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滤波和功耗考虑

– ADC使用数字滤波器,数字滤波器的频率响应在采样频率和采样频率的倍数上提供0dB衰减。也就是说,由于滤波器响应是在采样频率周围反射的,因此模拟域需要消除锯齿过滤器。-型ADC本身对模拟输入信号进行过采样,因此消除锯齿滤波器的设计得到简化,简单的(单极)RC滤波器就足够了。例如,AD7124-4/AD7124-8每模拟输入需要一个1K 电阻、AINP和AINM之间需要一个0.1F电容器、每一模拟输入针脚上AVSS之间只需要一个0.01F电容器。

在大多数工业应用程序或过程控制中,强大的健壮性是首要任务之一。与系统相邻的部件或环境可能会产生噪音、瞬态或其他干扰。为了EMC的目的,模拟输入通常具有更大的r和c值。但是,如果转换器在增益1的无缓冲模式下运行,则输入机输入直接进入调制器的采样电容,因此,如果RC值较大,则由于ADC在两个采样时间之间没有足够的时间完成构建,因此可能会出现增益错误。缓冲模拟输入可以避免这些错误。

交流电源的干扰也会影响测量结果。因此,50Hz/60Hz抑制是用交流电源供电时的系统要求之一。窄频带-型ADC(如AD7124-4/AD7124-8)的另一个优点是提供了灵活的数字过滤选项,可将陷阱频率设置为50Hz和/或60Hz。

选择的过滤器类型和设置的输出数据速率会影响设置时间和噪声性能。该设备还提供多种功耗模式,用户可以调整ADC以获得最佳功耗、速度或性能。系统的电流消耗或功耗预算分配在很大程度上取决于最终应用程序。如果系统需要高输出数据速率和提高的噪音性能,则可以将设备配置为全功率模式。如果需要在适当的速度和合理的性能下限制功耗,设备可以在中等或低功耗模式下运行。

除了准确度和性能外,计时也是一个因素。在大多数应用程序中,要执行所有测量,必须满足特定的时间要求。如果可以使用多个通道(即使用多个传感器),设计者必须考虑通过数字过滤器延迟。多路复用ADC上有多个通道可用后,每次切换通道时都需要设置时间。因此,选择设置时间较长的过滤器类型(即sinc4或sinc3)会降低整体处理速度。在这种情况下,可以使用后过滤器或FIR过滤器,以较短的生成时间提供合理的50 Hz/60 Hz同时抑制,从而加快处理速度。所有过滤器选项和输出数据速度选择的子集都可以通过热敏电阻配置器和错误预算计算器进行测试。这将产生所需的噪音性能,并提供给下一节中介绍的系统错误计算。输出数据速度/FS值/吞吐量的所有选择都可以通过Virtual Eval联机工具获得。Virtual Eval显示了在测量单个或多个热敏传感器时可用于评估ADC计时性能的各种场景的计时。

误差预算计算

如前所述,使用热敏电阻配置器和错误预算计算器可以修改系统配置以获得最佳性能。图3所示的错误预算计算器有助于设计师理解与ADC相关的错误和系统配置中的错误,而不管是内部还是系统校准。系统错误饼图表示系统的哪个部分对系统的总错误贡献最大。因此,客户可以修改ADC或系统配置以获得最佳性能。

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图3。热敏电阻错误预算计算器

如图3所示,ADC产生的误差不是整体系统误差的重要贡献。在整个温度范围内工作时,外部组件及其温度系数或温度漂移规格通常是整个系统的主要故障因素。

例如,如果将工具检测电阻的温度系数从10ppm/C更改为25ppm/C,则可以看到系统错误总数大幅增加。因此,为了尽量减少可能的温度移动误差,应选择初始精度高、温度系数低的检测电阻。

广告7124-4/广告7124-8提供了多种校准模式,可进一步减少测量误差。建议在相变或软件初始化时进行内部校准,以消除标称温度下的ADC增益和不平衡错误。此工具使用的增益设置为1。AD7124-4/AD7124-8工厂补偿增益为1,结果增益系数为设备的默认增益系数。因此,当增益为1时,该设备不支持进一步的内部全范围校正。标称温度下的内部校准只能消除AD7124-4/AD7124-8的增益和偏移误差,不能消除外部电路引起的增益和偏移误差和漂移误差。系统校正有助于消除外部错误。在不同温度点进行校准还可以提高漂移性能。但是,这可能会增加成本和工作量,不适合某些应用程序。

故障检测

对恶劣环境或安全至关重要的应用程序的诊断能力越来越重要。即使是不安全的设计,诊断也能提高耐用性,确保所有设计的模块正常工作,处理器仅接收和处理有效数据。AD7124-4/AD7124-8的嵌入式诊断减少了对外部组件的诊断需求,从而减小了解决方案大小、缩短了时间并降低了成本。诊断包括:

检查模拟针脚的电压等级,确保其在额定工作范围内

基准电压检查

串行外围设备接口(SPI)总线上的循环冗馀检查(CRC)

存储映射CRC

信号链检查

这些诊断使解决方案更加有力。

热敏电阻系统评估

将系统设计概念化,了解预期的系统性能后,设计师的下一步是制作原型并验证设计性能。CN-0545是Circuits from the Lab参考设计,使用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8试用版及其评估软件提供了0.1精度的热敏电阻测量数据。CN-0545的电路采用10KOY、44031英寸NTC热敏电阻传感器,额定测量范围为50~ 150,0~ 70之间的精度为0.1,大范围温度范围的精度为0.1。

图4显示了CN-0545的测量单位。此测量数据是使用AD7124-4/AD7124-8试用版获得的,其中包括热敏电阻演示模式,用于测量热敏电阻,并使用传感器的Steinhart-Hart常数计算等效温度(C)。该图显示了实际性能结果。与错误预算计算器相比,实际结果可能比工具提供的估计值要好。这种差异是因为工具使用所有参数的最大值,从而提供电路的最坏情况分析。实际上,传感器漂移、初始精度和系统中使用的电子设备和组件的温度漂移并不总是在额定最大值。

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图4。热敏电阻温度精度测量、后置滤波器、低功耗模式、25SPS

提供这种经验证的灵活参考电路板对系统设计师至关重要。因为它缩短了设计周期,提供了优秀的电路技术。除硬件外,软件还支持各热敏传感器的各种系统优化和校准技术,以满足市场对易用、精度高、精度高、可靠的信号链解决方案的需求。

向设计师提供工具和硬件演示模式电路可以简化设计过程,但系统设计师的测量处理方法不同,软件处理可以使用不同的控制器。为了进一步简化开发过程,可以使用简单的固件应用程序AD7124测温演示样本生成自定义代码,以支持控制器板、软件平台、设备配置和测量传感器(如热敏电阻)的选择。这个开源Mbed平台支持150多个修改或未修改的控制器板。因此,支持快速原型设计,开发工作更快。

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结论

可以看出,设计基于热敏电阻的测温系统是一个困难的多阶段过程。为了简化系统设计师的设计旅行,您可以使用热敏电阻配置器、错误预算计算器、Virtual Eval、评估板硬件和软件、Mbed固件和CN-0545来解决连接问题和总错误预算等多种挑战。使用户的设计体验更上一层楼。

高通合、低带宽-型ADC消除了抑制50Hz/60Hz等问题,同时提供了激励、调节和测量传感器所需的建筑模块,从而进一步减少了设计工作。这种集成与完整的系统数据或生态系统相结合,可以简化整个系统设计,降低成本,缩短从概念到原型的设计周期。

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关于ADI公司

analog devices,Inc. (Nasdaq: ADI)在现代数字经济的中心发挥着重要作用,通过多种模拟和混合信号、电源管理、RF、数字和检测技术,ADI将实际现象转化为行动的有意义洞察,面向世界各地12.5万名客户。ADI的总部设在马萨诸塞州威明顿。

关于作者

Jellenie Rodriguez是ADI精密转换器技术部的应用工程师。她主要关注用于直流测量的精密-型ADC。她于2012年加入ADI,2011年毕业于San sebastian学院-reco letos de cavite,获得电子工程学士学位。

玛丽麦卡锡是ADI的应用工程师。她于1991年加入ADI,在爱尔兰科克市的线性和精密技术应用部工作,主要关注精密-转换器。她1991年毕业于科克大学,获得了电子和电气工程学士学位。

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