作为支撑模仿和数字温度传感器的高档运用/体系工程师，在作业中经常被问到有关温度传感器运用的问题。其中有许多是关于模数转化器（ADC）的，因为ADC在体系运用中的重要性，我花费许多时刻在解说ADC对体系精度有何意义，以及怎么了解并完成所选传感器的更大体系精度上。
温度传感器用于大功率开关电源规划中，需求监测功率晶体管和散热器。电池充电体系需求温度传感器监测电池温度，以便安全充电并优化电池寿数，家庭恒温器则需求温度传感器监测房间温度，以相应操控供暖，通风和空调体系。
这些运用中，常用的温度丈量办法是运用负温度系数（NTC）热敏电阻。NTC是电阻器材，其电阻跟着温度的改动而改动。为了满意当今温度传感器需求，一种更新、更高效、更准确的办法是运用硅基热敏电阻，它是一种正温度系数（PTC）器材。而且PTC不是电阻器材，而是电流形式器材；在电流形式下作业的硅供给根据温度的线性输出电压。
不管您运用NTC仍是PTC，您的规划都需求一个ADC和一个MCU来丈量热敏电阻的电压输出。本文的重点是将硅基热敏电阻与MCU结合运用带来的许多优势。咱们将讨论NTC和PTC热敏电阻的优缺点。
挑选微操控器
MCU选型具有许多挑选，但很或许在挑选温度传感器时这个组件现已被确认。你能够重视温度传感的ADC外设的具体状况。
挑选ADC
ADC有许多不同的类型。最受欢迎的两种为逐次迫临寄存器（SAR）和 Delta-Sigma模仿数字转化器。Delta-Sigma供给高分辨率（8-32位分辨率），但采样速度较慢。SAR类型最陈旧、最常见，分辨率为8-18位，采样速度更快。关于温度传感，恣意一种ADC都是不错的挑选。
ADC分辨率
ADC的位数将决议分辨率而非精度。分辨率是ADC用来丈量施加到ADC管脚的模仿电压的步长。分辨率的位数以及参阅电压（VREF）将设置ADC的步长值。
比方，一个10位ADC将具有2^10=1024位，而3.3VDC的VREF将为每个ADC位供给3.3/1024=0.003226VDC的分辨率。一个16位ADC将具有65536位的总分辨率，每位分辨率为0.000005035VDC。ADC位数越多将意味着更高的丈量分辨率。
请勿将精度与分辨率混杂。分辨率是指能够看到被测电路值的改动。用于温度丈量的典型ADC的分辨率为12-16位。您会发现8位或10位ADC不能供给满足的分辨率来检查热敏电阻的精度，且具有较大的温度步长，一般不行承受。
图1 分压电路完成
过采样以取得更高分辨率
过采样是一种均匀丈量值的办法，可进步分辨率和信噪比。过采样的作业原理是将多个带有噪声的温度丈量值相加，然后进行均匀，得到一个更准确的数值。每超越8个过采样，分辨率将增加2位。16次过采样会将10位ADC的总分辨率进步到14位。假如噪声高于Nyquist频率，则可在运用程序中运用恣意数量的样本（N＃份样本）来取得规划所需的分辨率。Nyquist速率是您希望取得实践温度读数的频率。样本总数有必要比实践所需温度成果快至少N＃倍。
在运用过采样办法时，在输入信号中增加一些颤动噪声可改进分辨率差错。许多实践运用中，噪声小幅增加可大幅进步丈量分辨率。在实践中，将颤动噪声置于丈量感兴趣的频率规模之外，随后能够在数字域中滤除这些噪声，然后在感兴趣的频率规模内进行终究的丈量，一起具有更高的分辨率和更低的噪声。
供给颤动噪声的更佳办法是将热敏电阻分压器的Vcc和VREF.分隔（将MCU的内部VREF用于ADC）。请勿在电阻分压器电压检测线上放置电容器。许多状况下，电路噪声将足以使电阻分压器的电压颤动，以求均匀值。颤动噪声有必要等于4位或更多位振幅。10位具有3.3VDC VREF的ADC将具有0.0032VDC的电压步长。颤动噪声有必要至少是预期温度丈量值上下的4位分辨率。10位ADC的最小颤动噪声有必要高于ADC的最低有用位（LSB）+/- 0.0128VDC（0.0256VDC p-p）或更高，以供给必要的电平，然后经过求均匀值恰当进步ADC的位分辨率。
在ADC读取一个位值并核算温度后，您可将该值存储在先进先出
（FIFO）软件阵列中。当新值输入阵列时，最旧的样本将被丢掉，一切其他样本都将移至下一个对应的单元，然后创立一个FIFO。该求均匀值办法可运用于温度转化过程中运用的任何值，例如温度、ADC位值、分压器电压，乃至核算得出的电阻。一切这些要素均匀下来都将很好地发挥作用。
图2 恒流电路完成
定点或浮点
微操控器可在内部具有浮点单元硬件，也可具有无需硬件即可进行浮点数学运算的固件库。32位非浮点器材的快速示例是Cortex “M4”器材，而带有浮点的版别将标记为“M4F”。与运用定点部件和运用浮点固件库比较，MCU内部具有浮点硬件使核算速度更快、功耗更低。
具有固定点意味着只能显现大于零的整数。例如：假如1 + 1，则得到2，然后取均匀值1。假如2 + 1，则得到3，然后取均匀值1.5。在定点核算中，成果将为“ 1”, 小数点以下的数字都不能用1。用固定点丈量温度时，将只能看到和参阅整数的温度，即22°C，23°C，24°C。浮点可显现更高分辨率的温度，即22.1°C或22.15°C。运用浮点数既可更轻松核算温度，也可运用带有插值的查找表。您可运用具有单位数分辨率的定点查找表，分辨率为一位数，这关于许多运用程序是可承受的。
图3 PTC热敏电阻线性电阻斜率
挑选热敏电阻
热敏电阻有两种类型，根本的NTC和PTC热敏电阻。一般会将它们相提并论，被认为是同一类型的器材。这并不正确。NTC是一种随温度改动的电阻设备。如图1的分压器电路图中所示，在热敏电阻顶部放置一个电阻并施加安稳的电压。温度改动时，热敏电阻中的电阻也会发生改动，然后改动顶部电阻两头的压降。分压电阻器中心的输出为模仿电压，将由ADC丈量。
PTC是一种根据电流作业的硅器材。跟着温度改动，传导电流也随之发生改动。大多数PTC的作业都运用恒流源进行，如图2所示。电流改动时，由电流源供给的电压改动。
ADC丈量电压的改动，并将丈量值转化为温度。
你也能够运用PTC，就像NTC热敏电阻与RBias电阻相同，见图1。顶部电阻将好像电流源相同作业。与相同条件下的NTC比较，PTC一般对温度改动具有更好的热敏性，且对较小的改动更灵敏。PTC的另一个长处是：它们在Vtemp 衔接处具有线性输出，如下图3所示，因而更易于校准。这也使零件在整个温度规模内都愈加准确。
NTC具有类似于下面图4所示的非线性输出，且或许需求在温度室内进行三点校准，以答应斜率补偿和偏移差错调整，然后在整个温度规模内坚持准确。NTC的非线性斜率无法在未校准的状况下在整个温度规模内供给安稳的温度信息。
在正常条件下，NTC能够运用具有恰当温度分辨率的12位ADC，尤其是在较冷温度下，可是PTC一般需求14位ADC才干取得满足的分辨率，以检查温度步长，然后显现出 PTC的实践精度。关于一切温度规模内的PTC都是如此，但NTC将需求一个14位ADC来丈量60°C以上的较高温度。
在PTC顶部增加一个RBias电阻会减小PTC的动态规模。较低的动态规模使ADC的电压反应下降，这便是PTC需求14位ADC分辨率的原因。可是，因为PTC的线性斜率，较低的动态规模将导致较大的温度差错丈量。室温下的单点偏移将在整个温度规模内校准PTC。关于根据PTC的体系，在整个温度规模内，这将使温度丈量比典型的（平等指定的）根据NTC的体系愈加准确。
图4 NTC热敏电阻非线性电阻斜率
比率度
比率度是描绘捕获的ADC值的术语。该值可与输入和/或电源电压的改动成份额地改动。当供给给温度感测电路的分压器的VCC电源也供给用于VREF的电压时（如下面图5所示），则称其为比率度。VCC的任何改动都将在分压器和VREF处平等一起改动，然后影响ADC的丈量值，让这些源之间的潜在差分差错最小。
比率度办法能够增加体系中的总精度。在完成不运用均匀或过采样的根据热敏电阻的温度传感器时，为分压器和ADC的VREF运用相同的电源十分重要。
图5 比率度，由同一电源供电的电阻分压器和VREF供电
滤波
在大多数状况下，无需在分压器上运用电容器，在运用单端ADC的比率法时也不该运用。关于差分的VREF/ADC输入，您一般会在ADC输入和VREF输入之间放置一个电容。运用比率度办法时，对Vtemp 进行滤波将改动感测线上的电压呼应，但不会改动ADC VREF 的电压呼应。因而，增加一个滤波器会增加输入到电阻分压器的VREF 和VCC之间的差值，并增加差错。
不运用比率度办法时，能够运用在分压器处增加电容来滤除电压，以消除噪声和电压改动，不然会在丈量中发生差错。增加一个电容器来滤除VREF也是一个不错的办法。有时，VREF 是内部的，无需额定滤波。假如在Vtemp线上增加电容器，则会增加对温度改动的呼应时刻。假如测得的温度呼应缓慢且无需当即采用办法，则滤波器或许会有所协助。 另一种滤波器解决方案是在电阻分压器顶部的VCC处增加一个电容器，以滤除体系中的噪声以进行温度丈量。假如运用比率度，则在VREF 上增加相同的电容器，以使两个电源的电压改动坚持一致。
缓冲器和放大器
放大器可用于增加热敏电阻的动态规模。一切运算放大器都有潜在的失调差错和增益差错。挑选对精度和失调影响最小的运算放大器需求支付更多尽力。校对失谐和增益差错所需的校准或许比升级到更高质量的ADC的本钱更高。 一些MCU具有内部运算放大器。许多DS ADC具有集成的PGA，正是为了这个意图（缓冲/增益）。一些SAR ADC也有这些功用。
有时会运用单位增益缓冲器来避免下垂或加载到电阻分压器电路。当ADC对热敏电阻分压器电路进行采样时，来自ADC的浪涌电容会导致丈量时几毫伏的电压下降。假如在ADC中具有满足的分辨率，则会在温度丈量中观察到这是一个过错。假如直接在ADC管脚上增加一个等于ADC电容10倍的电容器，则无需运用缓冲器就能够补偿ADC电容的浪涌电流。典型的ADC电容为3pF-20pF。最好在ADC管脚邻近增加一个30pF – 200pF的电容，这是一个很好的解决方案。它将对热敏电阻的丈量或热呼应的影响降至最低。
漂移
因为PTC热敏电阻运用硅作为其根底资料且具有线性斜率，因而，流经PTC的电流随时刻和温度改动具有十分低的漂移。另一方面，NTC一般对所用资料的电阻具有温度依赖性，且在高温下会随时刻改动。NTC具有一个beta值，可界说整个温度规模内的TCR / PPM，且PPM随时刻改动。
从ADC导出温度
NTC热敏电阻温度是根据器材的电阻。许多规划人员运用查找表寻觅特定温度下的电阻。然后经过插值核算每个1°C温度步长之间的实践温度。为了更大程度地削减查找表的巨细，您可运用5°C的查找表，可是内插差错会高一些。关于大多数规划人员而言，0.5°C的精度已满足，因而带有插值的5°C查找表就已满足。
PTC根据流经零件的实践电流，一般由公式界说。PTC根据三阶或四阶多项式。四阶多项式的精度曲线拟合（R2）为1.0000％至0.9999％，以供给温度信息。Steinhart Hart方程可由NTC和PTC运用，并采用运用自然对数来核算温度的三阶多项式。Steinhart Hart方程式已为更多规划人员所认可，因为多年前其开始为NTC创立。现在，大多数高精度PTC都依赖于四阶多项式。
校准
一切NTC和PTC都需求校准才干准确。可购买一些具有更严厉公役和Beta值的NTC。这好像能够消除校准。可是，热敏电阻不是体系中仅有的组件。顶部电阻具有容差，且在整个温度规模内具有PPM，VCC在电压以及温度规模内存在电压差错。体系总精度或许超出预期规模，且精度或许并不能到达希望。
NTC一般需求进行三点校准以调整斜率差错，且需求进行偏移以校对总偏移差错。 因而，这需求温度箱和时刻来搜集整个温度的差错。首要，因为硅的工艺差错，PTC将具有较大的偏移差错，可是可经过单个偏移调整在整个温度规模内对其进行校对。大多数状况下，在拼装的终究编程过程中，偏移调整可于室温下进行，且无需温度箱或时刻来进行校准。
定论
NTC和PTC因零件数量少、本钱低都易于完成。可是，NTC或许将需求更贵重的校准办法，且随时刻推移具有更高的漂移。
PTC是进行温度丈量的新办法。一个简易的失调校对是整个温度规模内所需的整个校准。PTC的精度十分准确，且温度丈量值随时刻和温度改动具有很小的漂移。
需求清晰的是，NTC和PTC不是同一类型的组件，且很难仅经过阅览数据表进行直接比较。PTC不是电阻组件，大多数供货商主张仅运用恒流源来驱动它们。德州仪器（TI）创立了一个规划东西，以向规划人员展现怎么在电阻分压器电路中运用其TMP61 系列 PTC。该东西包含一个核算阻力表，供那些习气运用查找表的人运用。运用新的规划考虑要素和正确的核算办法，使得PTC比NTC具有更高的精度和安稳性。
