作為支持模擬和數(shù)字溫度傳感器的高級(jí)應(yīng)用/系統(tǒng)工程師，我遇到了很多關(guān)于溫度傳感器應(yīng)用的問題。其中許多是關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的。ADC 非常重要，我花了很多時(shí)間談?wù)撍鼈儯?ADC 對(duì)系統(tǒng)精度的意義以及如何理解和使用所選傳感器實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)精度。

溫度傳感器用于需要監(jiān)控功率晶體管和散熱器的大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)。電池充電系統(tǒng)需要一個(gè)溫度傳感器來監(jiān)控電池的溫度，以便安全充電并優(yōu)化電池壽命。家用恒溫器需要一個(gè)溫度傳感器來監(jiān)測(cè)室溫，從而相應(yīng)地控制供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。

在這些應(yīng)用中，一種常用的溫度測(cè)量方法使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。這些熱敏電阻是電阻器件，可隨溫度改變電阻。

滿足當(dāng)今溫度傳感需求的一種更新、更高效、更準(zhǔn)確的方法是硅基熱敏電阻，它是一種正溫度系數(shù) (PTC) 器件。PTC 不是電阻器件，而是電流模式器件。在電流模式下工作的硅提供基于溫度的線性輸出電壓。

無論您使用 NTC 還是 PTC，您的設(shè)計(jì)都需要一個(gè) ADC 和一個(gè)微控制器 (MCU) 來測(cè)量熱敏電阻的電壓輸出。在本文中，我將回顧帶有 MCU 的硅基熱敏電阻的許多優(yōu)點(diǎn)，并討論 NTC 和 PTC 熱敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)。

單片機(jī)選擇

選擇 MCU 時(shí)您有很多選擇，但很可能在您選擇溫度傳感器時(shí)已經(jīng)選擇了該組件。您可以關(guān)注的是溫度傳感應(yīng)了解的 ADC 外設(shè)細(xì)節(jié)。

ADC 選擇

有許多不同類型的 ADC。最流行的兩種是逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和 delta-sigma ADC。Delta-sigma ADC 提供高分辨率（高達(dá) 32 位分辨率），但采樣速度較慢。SAR ADC 是最古老和最常見的 ADC 類型，具有 8 到 18 位的分辨率和更快的轉(zhuǎn)換速度。對(duì)于溫度傳感，任一 ADC 類型都是不錯(cuò)的選擇。

ADC 分辨率

ADC 的位數(shù)將決定分辨率，而不是精度。分辨率是 ADC 用于測(cè)量施加到 ADC 引腳的模擬電壓的步長。分辨率位數(shù)以及電壓參考 (V REF ) 將設(shè)置 ADC 步長的值。

例如，一個(gè) 10 位 ADC 有 2個(gè) 10 = 1,024 個(gè)離散最低有效位 (LSB)，3.3 V DC的 V REF將提供 3.3/1,024 = 0.003226 V DC /ADC LSB 的分辨率。16 位 ADC的總分辨率為2 16 = 65,536 LSB，每個(gè) ADC 位的電壓分辨率為 0.000005035 V DC 。更多的 ADC 位意味著更高的測(cè)量分辨率，這可以導(dǎo)致更準(zhǔn)確的溫度。

不要將精度與分辨率混淆。分辨率是查看被測(cè)電路值變化的能力。用于溫度測(cè)量的典型 MCU ADC 運(yùn)行分辨率為 12 至 16 位。您會(huì)發(fā)現(xiàn) 8 位或 10 位 ADC 無法提供足夠的分辨率來查看熱敏電阻的精度，并且溫度步長通常較大，這通常是不可接受的。

過采樣以獲得更高分辨率

過采樣是一種平均測(cè)量值以提高分辨率和信噪比的方法。過采樣的工作原理是將多個(gè)溫度測(cè)量值與噪聲相加，然后取平均值以獲得更準(zhǔn)確的值。對(duì)于分辨率每增加一位，信號(hào)必須被過采樣 4 倍。每 8 次過采樣，分辨率將增加 2 位：16 次過采樣將使 10 位 ADC 的總分辨率增加到 14 位。

如果樣本數(shù)量高于奈奎斯特速率，您可以在應(yīng)用程序中使用任意數(shù)量的樣本 (N#) 來獲得設(shè)計(jì)所需的分辨率。奈奎斯特率是您想要實(shí)際溫度讀數(shù)的頻率。樣本總數(shù)必須至少比實(shí)際所需的溫度結(jié)果快 N# 倍。

使用過采樣方法時(shí)在輸入信號(hào)中加入一些抖動(dòng)噪聲可以改善分辨率誤差。在許多實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的小幅增加非常值得大幅提高測(cè)量分辨率。在實(shí)踐中，將抖動(dòng)噪聲置于測(cè)量感興趣的頻率范圍之外，隨后可以濾除數(shù)字域中的這種噪聲，從而在感興趣的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行最終測(cè)量，同時(shí)具有更高的分辨率和更低的噪聲。

提供抖動(dòng)噪聲的最佳方法是將熱敏電阻分壓器的公共集電極電壓 (V CC ) 和 V REF分開（使用MCU的內(nèi)部 V REF用于 ADC）。不要在電阻分壓器電壓檢測(cè)線上放置電容器。在許多情況下，電路噪聲足以抖動(dòng)電阻分壓器電壓以進(jìn)行平均。抖動(dòng)噪聲必須等于四位或更多位的幅度。V REF為 3.3 V DC的 10 位 ADC的電壓步長為 0.0032 V DC. 抖動(dòng)噪聲必須至少高于和低于預(yù)期溫度測(cè)量的四位分辨率。10 位 ADC 的最小抖動(dòng)噪聲需要比 ADC 的最低有效位高 ±0.0128 V DC（0.0256 V DC峰峰值）或更高，以便提供必要的電平以適當(dāng)?shù)貙?ADC 位分辨率提高平均。

在 ADC 讀入一個(gè)位值并計(jì)算溫度后，您可以將該值存儲(chǔ)在先進(jìn)先出 (FIFO) 軟件陣列中。當(dāng)一個(gè)新值進(jìn)入數(shù)組時(shí)，最舊的樣本被丟棄，所有其他樣本都轉(zhuǎn)移到下一個(gè)相應(yīng)的單元格，從而創(chuàng)建一個(gè) FIFO?？梢詫⑦@種平均方法應(yīng)用于溫度轉(zhuǎn)換過程中使用的任何值，包括溫度、ADC 位值、分壓器電壓，甚至計(jì)算出的電阻。所有這些因素在平均時(shí)都會(huì)很好地發(fā)揮作用。

定點(diǎn)或浮點(diǎn)

如果您必須在沒有硬件的情況下進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，MCU 內(nèi)部可能有浮點(diǎn)單元硬件或可用的固件庫。32 位非浮點(diǎn)設(shè)備的快速示例包括 Arm Cortex-M4 設(shè)備；帶有浮點(diǎn)的版本被標(biāo)記為 Cortex-M4F。與使用定點(diǎn)設(shè)備和浮點(diǎn)固件庫相比，在 MCU 中安裝浮點(diǎn)硬件可以加快計(jì)算時(shí)間，并且需要更少的功率。

有一個(gè)固定點(diǎn)意味著只能使用大于零的整數(shù)。例如，1 + 1 = 2，平均為 1。如果將 2 + 1 相加得到 3，則平均為 1.5。在定點(diǎn)計(jì)算中，結(jié)果將為 1，小數(shù)點(diǎn)以下沒有數(shù)字。

使用固定點(diǎn)測(cè)量溫度時(shí)，您只能看到和參考整數(shù)的溫度：22°C、23°C、24°C。浮點(diǎn)可以更高分辨率地顯示溫度：22.1°C、22.15°C。使用浮點(diǎn)計(jì)算溫度的數(shù)學(xué)運(yùn)算更容易，或者您可以使用帶有插值的查找表。您還可以使用具有固定點(diǎn)和個(gè)位數(shù)分辨率的查找表，這對(duì)于許多應(yīng)用程序都是可以接受的。

選擇熱敏電阻

熱敏電阻有兩種類型：NTC 和 PTC，通常被認(rèn)為是同一類型的器件。這是不正確的。NTC 是一種電阻裝置，可隨溫度改變電阻。NTC 的實(shí)施需要在熱敏電阻頂部放置一個(gè)電阻器并施加穩(wěn)壓電壓，如圖 1 所示。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻中的電阻會(huì)發(fā)生變化，從而改變 R偏置電阻上的電壓降。分壓電阻器中心的輸出是模擬電壓，將由 ADC 測(cè)量。

PTC 是一種基于電流運(yùn)行的硅器件。隨著溫度的變化，傳導(dǎo)電流也會(huì)發(fā)生變化。大多數(shù) PTC 使用恒流源運(yùn)行，如圖2 所示。當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，電流源提供的電壓也會(huì)發(fā)生變化。

ADC 測(cè)量電壓的變化，然后將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為溫度。

您也可以像使用帶有 R偏置電阻的 NTC 熱敏電阻一樣使用 PTC，如圖 1 所示。頂部電阻器將充當(dāng)您的電流源。PTC 通常對(duì)溫度變化具有更好的熱敏感性，并且在相同條件下與 NTC 相比，對(duì)微小變化的響應(yīng)能力更強(qiáng)。

圖 1：分壓器電路實(shí)現(xiàn)（左）和圖 2：恒流電路實(shí)現(xiàn)（右）

PTC 的另一個(gè)好處是它在 V temp連接處具有線性輸出（如圖3所示），使其更易于校準(zhǔn)。V temp連接處的線性輸出也使器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更加準(zhǔn)確。

圖 3：PTC 熱敏電阻線性電阻斜率

NTC 具有類似于圖 4中所示的非線性輸出，并且可能需要在溫度室中進(jìn)行三點(diǎn)校準(zhǔn)以允許斜率補(bǔ)償，以及偏移誤差調(diào)整以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確。NTC 的非線性斜率在沒有校準(zhǔn)的情況下在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的溫度信息時(shí)不一致。

圖 4：NTC 熱敏電阻非線性電阻斜率

在正常情況下，NTC 可以使用具有合理溫度分辨率的 12 位 ADC，尤其是在較冷的溫度下。然而，PTC 通常需要一個(gè) 14 位 ADC 才能獲得足夠的分辨率來查看溫度階躍。PTC 在所有溫度下都需要 14 位 ADC，但 NTC 需要 14 位 ADC 來測(cè)量 60°C 以上的溫度。

在PTC 頂部添加一個(gè) R偏置電阻器會(huì)減小其動(dòng)態(tài)范圍。較低的動(dòng)態(tài)范圍是 ADC 的降低電壓反饋；這就是 PTC 需要 14 位 ADC 分辨率的原因。然而，由于 PTC 的線性斜率，較低的動(dòng)態(tài)范圍將導(dǎo)致較大的溫度誤差測(cè)量。室溫下的單點(diǎn)偏移將在整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn) PTC。對(duì)于基于 PTC 的系統(tǒng)，這將使溫度測(cè)量在整個(gè)溫度范圍內(nèi)比典型的（同樣指定的）基于 NTC 的系統(tǒng)更準(zhǔn)確。

比例的

圖 5：比率法，由同一電源為電阻分壓器和 VREF供電

術(shù)語“比率”描述了捕獲的 ADC 值，它可以與電源電壓的變化成比例地變化。當(dāng)供給溫度檢測(cè)電路的分壓器的V CC電源也供給用于V REF的電壓時(shí)，如圖5所示，它是比例的。V CC的任何變化都會(huì)在分壓器和 V REF處同時(shí)發(fā)生類似的變化，從而影響 ADC 的測(cè)量值，從而最大限度地減少這些源之間的潛在差分誤差。

比率方法可以提高系統(tǒng)的總準(zhǔn)確度。在實(shí)施不使用平均或過采樣的基于熱敏電阻的溫度傳感器時(shí)，為分壓器和ADC的VREF使用相同的電壓源非常重要。

過濾

大多數(shù)情況下不需要在分壓器上使用電容器，并且在對(duì)單端 ADC 采用比率方法時(shí)不應(yīng)使用該電容器。對(duì)于差分 V REF /ADC 輸入，您通常會(huì)在 ADC 輸入和 V REF輸入之間放置一個(gè)電容器。

使用比率法過濾 V temp會(huì)改變感應(yīng)線上的電壓響應(yīng)，但不會(huì)改變 ADC V REF。因此，添加一個(gè)濾波器會(huì)增加電阻分壓器的 V REF和 V CC輸入之間的差分誤差。

當(dāng)不使用比率法時(shí)，在分壓器上增加電容可以過濾電壓，消除噪聲和電壓變化，否則會(huì)在測(cè)量中產(chǎn)生誤差。添加一個(gè)電容器對(duì) V REF進(jìn)行濾波也是一個(gè)好主意。有時(shí) V REF是內(nèi)部的，不需要額外的濾波。在 V temp線上添加一個(gè)電容器可以增加對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間。如果測(cè)得的溫度響應(yīng)緩慢且不需要立即采取措施，則此過濾器可能會(huì)帶來好處。

另一種方法是在電阻分壓器頂部為 V CC添加一個(gè)電容器，以濾除系統(tǒng)中的噪聲以進(jìn)行溫度測(cè)量。如果使用比率法，將相同的電容器添加到 V REF將使兩個(gè)電源的電壓變化保持一致。

緩沖器和放大器

放大器可以增加熱敏電阻的動(dòng)態(tài)范圍。所有運(yùn)算放大器都有潛在的失調(diào)誤差和增益誤差。選擇對(duì)精度和偏移影響最小的運(yùn)算放大器需要一些努力。校正失調(diào)和增益誤差所需的校準(zhǔn)可能比升級(jí)到更高質(zhì)量的 ADC 成本更高。一些 MCU 具有內(nèi)部運(yùn)算放大器。許多 DS ADC 都為此目的（緩沖/增益）集成了 PGA。一些 SAR ADC 也具有這些特性。

有時(shí)使用單位增益緩沖器來防止電阻分壓器電路下降或負(fù)載。當(dāng) ADC 對(duì)熱敏電阻分壓器電路進(jìn)行采樣時(shí)，來自 ADC 的浪涌電容會(huì)對(duì)測(cè)量造成幾毫伏的壓降。如果您在 ADC 中有足夠的分辨率，您將在溫度測(cè)量中將此視為錯(cuò)誤。如果直接在 ADC 引腳上添加一個(gè)電容，等于 ADC 電容的 10 倍，則無需借助緩沖器即可補(bǔ)償 ADC 電容的浪涌電流。典型的 ADC 電容為 3 pF 至 20 pF。在盡可能靠近 ADC 引腳的位置添加一個(gè) 30 pF 至 200 pF 的電容器將對(duì)熱敏電阻的測(cè)量或熱響應(yīng)的影響最小。

漂移

由于 PTC 熱敏電阻使用硅作為其基礎(chǔ)材料并具有線性斜率，因此，通過 PTC 的電流隨時(shí)間和溫度的漂移非常低。NTC 通常對(duì)所用材料的電阻具有溫度依賴性，該電阻會(huì)在高溫下隨時(shí)間而變化。NTC 有一個(gè) beta 值，用于定義溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)（以百萬分之幾 (ppm) 為單位），并且還會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生 ppm 漂移。

從 ADC 導(dǎo)出溫度

NTC 熱敏電阻溫度基于設(shè)備的電阻。許多設(shè)計(jì)人員使用查找表來查找特定溫度下的電阻，然后計(jì)算（通過線性插值）每個(gè) 1°C 溫度步長之間的實(shí)際溫度。為了盡量減小查找表的大小，可以使用 5°C 的查找表，但插值誤差會(huì)稍高一些。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員來說，0.5°C 的分辨率已經(jīng)綽綽有余，因此帶有插值的 5°C 表格最終就足夠了。

PTC 基于通過設(shè)備的實(shí)際電流，通常由公式定義。PTC 基于三階或四階多項(xiàng)式。四階多項(xiàng)式具有更精確的曲線擬合 (R 2 )，精度為 1.0000% 到 0.9999%，以提供溫度信息。Steinhart-Hart 方程使用具有自然對(duì)數(shù)的三階多項(xiàng)式來計(jì)算溫度。

更多設(shè)計(jì)師認(rèn)可 Steinhart-Hart 方程，因?yàn)樗畛跏窃诙嗄昵盀?NTC 創(chuàng)建的。盡管您可以將方程用于 NTC 或 PTC，但如今大多數(shù)高精度 PTC 依賴于四階多項(xiàng)式。

校準(zhǔn)

所有 NTC 和 PTC 都需要校準(zhǔn)才能準(zhǔn)確。一些 NTC 可提供更嚴(yán)格的公差和 beta 值，這似乎可以消除校準(zhǔn)；然而，熱敏電阻并不是系統(tǒng)中唯一的組件。V Bias電阻器在溫度范圍內(nèi)具有容差和 ppm；V CC有電壓誤差以及隨溫度變化的電壓偏移?？傁到y(tǒng)精度可能比預(yù)期的超出公差范圍，并且精度可能不是您想要的。

NTC 通常需要一個(gè)三點(diǎn)校準(zhǔn)來調(diào)整斜率誤差和一個(gè)偏移來校正總誤差。三點(diǎn)校準(zhǔn)需要溫度室和時(shí)間，以收集溫度范圍內(nèi)的誤差?？紤]到硅的工藝偏差，PTC 一開始就會(huì)有較大的偏移誤差，但它可以通過單次偏移調(diào)整在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校正。在大多數(shù)情況下，您可以在裝配的最終編程期間在室溫下進(jìn)行偏移調(diào)整；您不需要溫度室，也不需要時(shí)間讓別人進(jìn)行校準(zhǔn)。

結(jié)論

NTC 和 PTC 都易于實(shí)施，元件數(shù)量少，成本低。然而，NTC 可能需要更昂貴的校準(zhǔn)方法，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)增加漂移。

PTC 提供了一種更好的方法來進(jìn)行溫度測(cè)量。一個(gè)簡單的偏移校正是整個(gè)溫度范圍內(nèi)唯一需要的校準(zhǔn)。PTC 非常準(zhǔn)確，溫度測(cè)量隨時(shí)間和溫度的漂移很小。

需要明確的是，NTC 和 PTC 不是同一類型的組件，而且很難（如果不是不公平的話）僅通過閱讀數(shù)據(jù)表進(jìn)行直接比較。PTC 不是電阻元件，大多數(shù)供應(yīng)商建議只使用恒流源來驅(qū)動(dòng)它們。

德州儀器 (TI) 創(chuàng)建了一個(gè)可下載的設(shè)計(jì)工具，向您展示如何在電阻分壓器電路中使用其TMP61系列PTC 。該工具包括一個(gè)計(jì)算阻力表，供那些喜歡使用查找表的人使用。使用新的設(shè)計(jì)考慮和正確的計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)比 NTC 更準(zhǔn)確和更穩(wěn)定的 PTC。

　　審核編輯：湯梓紅