溫度傳感器是電子行業中使用最廣泛的傳感器之一，其應用范圍包括校準;安全;和暖氣，通風和空調（HVAC）。盡管溫度傳感器的應用范圍很廣，但溫度傳感器及其實現方式可能會給設計人員帶來以最低成本實現最高精度性能的挑戰。

有許多方法可以感知溫度。最常用的方法是使用溫度傳感器，如熱敏電阻，電阻溫度檢測器（RTD），熱電偶或硅溫度計。但是，選擇正確的傳感器只是解決方案的一部分。然后，該傳感器必須連接到保持信號完整性的信號鏈，同時還要精確地補償特定傳感技術的獨特特性，以確保溫度的準確數字表示。

本文介紹了一種USB供電的電路解決方案來完成這項任務。它采用負溫度系數（NTC）熱敏電阻與ADI公司ADuC7023BCPZ62I-R7精密模擬微控制器相結合，可精確監控溫度。

NTC熱敏電阻特性

熱敏電阻是一種熱敏電阻，有兩種類型：正溫度系數（PTC）熱敏電阻和NTC熱敏電阻。多晶陶瓷PTC熱敏電阻具有高PTC，通常用于開關應用。NTC陶瓷半導體熱敏電阻具有高電阻NTC，因此其電阻隨溫度升高而降低。這使其適用于精確溫度測量。

有三種NTC熱敏電阻工作模式：電阻-溫度，電壓-電流和電流-時間。利用熱敏電阻的電阻-溫度特性的模式提供了最高精度的結果。

電阻-溫度電路將熱敏電阻配置為“零功率”狀態。“零功率”條件假設器件的電流或電壓激勵不會導致熱敏電阻自熱。

在典型的NTC熱敏電阻中，例如采用0603封裝的MurataElectronics的NCP18XM472J03RB4.7千歐（kΩ）器件，電阻與溫度的響應非常非線性（圖1）。

圖1中的圖表顯示了4.7kΩ熱敏電阻的高度非線性。NTC熱敏電阻的電阻隨溫度降低的速率是一個常數，稱為β（?）（圖中未顯示）。對于Murata的4.7kΩ熱敏電阻，β=3500。

可以使用高分辨率模數轉換器（ADC）和經驗三階多項式或查找表在軟件中完成熱敏電阻非線性響應的校正。

然而，有一種合理，簡單且成本較低的硬件技術，在到達ADC之前應用時，可以將熱敏電阻的線性化問題控制在±25°C的溫度范圍內。

硬件線性化解決方案

熱敏電阻輸出的第一級線性化的簡單方法是將熱敏電阻與標準電阻（1％，金屬膜）和電壓源串聯。串聯電阻的值決定了熱敏電阻電路的線性區域的中值。熱敏電阻（RTH）和Steinhart-Hart方程的電阻值決定了熱敏電阻的溫度（圖2）。已經發現Steinhart-Hart方程是確定NTC熱敏電阻溫度的最佳數學表達式。

通過定義分壓器的輸出（VADC0），可以推導出熱敏電阻電阻RTH的實際值。然后使用VADC0查找ADC的數字輸出十進制代碼DOUT，其中DOUT取決于ADC位數（N），ADC最大輸入電壓（VREF）和ADC輸入電壓（VADC0）。找到RTH的第三步也是最后一步是將R25（或25°CRTH值）乘以ADC代碼數與ADC數字輸出十進制代碼的比率。該第三步計算過程從下面的等式2開始。

計算的最后一步是使用上述Steinhart-Hart方程將熱敏電阻器電阻轉換為開爾文單位的溫度。ADuC7023精密模擬微控制器使用公式4確定傳感器溫度：

T2=測量的熱敏電阻溫度（以開爾文為單位）

T1=298開爾文（25°C）

β=熱敏電阻的β參數@298開爾文或25°C。β=3500

R25=熱敏電阻電阻@298開爾文或25°C。R25=4.7kΩ

RTH=熱敏電阻@未知溫度的電阻，由公式3計算

在圖2中，熱敏電阻（RTH）在25°C時等于4.7kΩ。由于R25的值等于熱敏電阻的25°C值，因此分壓器的線性區域以25°C為中心（圖3）。

在圖3中，串聯熱敏電阻系統在約0°C至+50°C的有限溫度范圍內線性響應溫度。在此范圍內，Δ溫度誤差為±1°C。線性化電阻的值（R25）應等于感興趣的溫度范圍中點的熱敏電阻的大小。

該電路通常在±25°C溫度范圍內獲得12位精度，熱敏電阻的標稱溫度為R25值。

基于USB的溫度監控器

電路解決方案中的信號路徑始于低成本4.7kΩ熱敏電阻，然后是ADI公司的低成本ADuC7023微控制器。微控制器集成了四個12位的數字-模擬轉換器（DAC），多信道12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，和一個1.2伏的內部參考，以及一個ARM7?芯，126千字節閃存，8Kbytes靜態隨機存取存儲器（SRAM）和各種數字外設，如UART，定時器，SPI和兩個I2C接口（圖4）。

在圖4中，電路的電源和接地完全來自四線USB接口。ADI公司的ADP3333ARMZ-5-R7低壓差線性穩壓器使用USB5V電源產生3.3V輸出。穩壓ADP3333輸出提供ADuC7023的DVDD電壓。ADuC7023的AVDD電源需要??額外的濾波，如圖所示。線性穩壓器還在USB電源和IN引腳之間有一個濾波器。

溫度數據的交換也通過USBD+和D-接口引腳。ADuC7023能夠使用I2C協議發送和接收數據。該應用電路使用雙線I2C接口傳輸數據并接收配置命令。

此應用程序使用以下ADuC7023功能：

12位SARADC

帶有SRAM的ArmARM7TDMI。集成的62KB閃存可運行用戶代碼，用于配置和控制ADC，管理USB接口上的通信以及處理來自熱敏電阻傳感器的ADC轉換。

I2C終端是主機PC的通信接口。

兩個外部開關\按鈕（未顯示）強制器件進入閃存啟動模式：通過保持低電平并切換RESET開關，ADuC7023進入啟動模式而不是正常用戶模式。內部閃存可以通過設備相關的I2CWSD軟件工具利用USB接口在引導模式下重新編程。

VREF是帶隙參考。該參考電壓可用于系統中的其他電路參考。最小0.1微法（μF）電容連接到這些引腳以降低噪聲。

由于ADuC7023采用小尺寸（5mm×5mm）32引腳芯片級封裝，整個電路適用于印刷電路板極小的部分，節省了成本和空間。

ADuC7023提供低功耗解決方案，即使它具有強大的ARM7內核和高速SARADC。整個電路通常消耗11毫安（mA），ARM7內核運行在5兆赫茲（MHz），主ADC測量外部熱敏電阻。可以在溫度測量之間關閉微控制器和/或ADC，以進一步節省功耗。

布局考慮因素

圖4中所示的信號處理系統令人驚訝地具有欺騙性。從鳥瞰圖來看，該系統僅包含三個有源設備。但隱藏在這種簡單性中的是一些有趣的布局挑戰。

例如，ADuC7023微控制器是一個復雜的模擬和數字系統，需要特別注意接地規則。雖然該系統在模擬域中似乎“緩慢移動”，但其板載采樣保持ADC是一種快速多通道器件，以每秒1兆樣本的速率采樣，具有最大時鐘速度41.78MHz。在該系統中，時鐘的上升和下降時間是幾納秒。這些速度將此應用程序置于高速類別中。

顯然，混合信號電路需要特別注意。這是一個包含關鍵方面的四點清單：

使用電解電容器

選擇較小的電容器

地平面考慮因素

可選的小鐵氧體磁珠

通常使用大型電解電容器，其值在10mF至100mF之間，距離芯片不超過2英寸。這些電容充當電荷儲存器，以適應通過電源走線電感產生的瞬時充電需求。

電路中較小的電容（通常為0.01mF至0.1mF）盡可能靠近器件的電源引腳放置。這些電容器的目的是快速，迅速地將高頻噪聲發送到地。

接地電容位于去耦電容下方，可解耦高頻電流，并最大限度地降低EMI/RFI發射。它應該由一個大的低阻抗區域組成。為了使電感最小化，電容器與地的連接是通過通孔或短跡線。

除了圖4的去耦電容外，USB電纜的EMI/RFI保護還需要使用鐵氧體。該電路中的鐵氧體磁珠是TaiyoYuden的BK2125HS102-T，在100MHz時阻抗為1000Ω。

結論

溫度傳感器是最廣泛使用的傳感器之一，但設計要求繼續挑戰設計師降低成本和尺寸，同時提高傳感精度。考慮到這些因素，本文描述了基于USB的低功耗商用熱敏電阻系統的實現，該系統采用ADI公司的小型12位ADC和高精度ADuC7023微控制器解決方案。該組合成功地使用電阻器來馴服具有非線性行為的NTC熱敏電阻，以準確地感測和監測溫度。