热敏电阻系统优化
使用易于使用的工具，例如热敏电阻配置器和误差预算 计算器，客户可以轻松地在他们的系统中配置热敏电阻，包括接线和连接图。该工具使用比例配置的激励电压设计热敏电阻系统。它还允许客户调整设置，例如传感器类型、被测温度范围、线性化和外部组件，如图 1 所示。它确保 ADC 和热敏电阻传感器都在规格范围内使用。因此，如果客户选择了不受支持的选项，该工具会标记这是一个错误情况。例如，如果客户选择的温度值超出特定热敏电阻型号的工作范围，则会显示错误，如图 2 所示。
该工具使用户能够了解不同的错误来源，并且还允许进行设计优化。请注意，该工具是围绕AD7124-4 / AD7124-8设计的，因此它还决定了可以连接到单个 ADC 的传感器数量。为了理解该工具的重要性，让我们来看看热敏电阻中使用的不同设计考虑因素。
图 1. 热敏电阻配置器。
点击查看完整大小的图片
图 2. 越界情况。
系统配置（激励、增益和外部组件）
与 RTD 类似，热敏电阻也容易自热，因为
电阻器在电流流过时会耗散功率。因此，设计人员必须将热敏电阻的工作电流保持在尽可能低的水平，以使其功耗不会对测量结果产生重大影响。首先，设计人员倾向于选择较高值的激励电压来产生较高的输出电压，以便充分利用 ADC 的输入范围。然而，由于热敏电阻传感器具有负温度系数，其电阻值会随着温度的升高而降低，因此流过它的电流值过高会导致较高的功耗，从而导致自热。
从好的方面来说，热敏电阻不需要更高的激励源值，因为其更高的灵敏度特性可以在指定的温度范围内产生从毫伏到伏的输出电压。因此，使用 ADC 参考电压值等激励电压就足够了，它允许比例配置。通过将 PGA 增益设置为 1，该技术还可确保整个热敏电阻输出电压范围或 ADC 模拟输入上的电压始终处于 ADC 工作输入范围内。该工具使用 AD7124-4/AD7124-8 上可用的内部 2.5 V 基准。当增益为 1 时，PGA 也会断电，从而降低整体电流消耗。AD7124-4/AD7124-8 还集成了允许在外部使用无限电阻和/或电容值的模拟输入缓冲器，使其非常适合直接连接到外部电阻型传感器，例如热敏电阻或连接电磁能力 (EMC) 滤波，无需添加任何错误。但是，在启用模拟输入缓冲器的情况下以 1 的增益使用 ADC 时，必须确保满足正确操作所需的余量。该工具还允许设计人员平衡外部元件的选择，包括外部余量电阻器的允许范围和推荐的检测电阻器值及其容差和漂移性能。热敏电阻工具还提供了常用热敏电阻类型的列表，并允许设计人员在其中输入任何类型的 NTC 热敏电阻的标称值和 beta (β) 或 Steinhart-Hart 常数的选项。传感器的精度、外部元件及其对系统误差的贡献以及传感器使用的线性化技术的影响将在后面讨论。
过滤和功率考虑
Sigma-delta 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处提供 0 dB 的衰减。这意味着滤波器响应反映在采样频率周围，因此需要模拟域中的抗混叠滤波器。由于 sigma-delta ADC 固有地对模拟输入信号进行过采样，因此简化了抗混叠滤波器的设计，因此一个简单的（单极点）RC 滤波器就足够了。例如，AD7124-4/AD7124-8 只需要一个与每个模拟输入串联的 1 kΩ 电阻，一个从 AINP 到 AINM 的 0.1 μF 电容，以及一个从每个模拟输入引脚到 AVSS 的 0.01 μF 电容。
在大多数工业应用或过程控制中，额外的稳健性是首要任务之一。系统可能会遇到来自其邻近组件或环境的噪声、瞬变或其他干扰。出于 EMC 目的，通常在模拟输入上使用较大的 R 和 C 值。但是，请注意，当转换器在增益为 1 的非缓冲模式下运行时，输入直接进入调制器的采样
电容器，因此较大的 RC 值会导致增益误差，因为 ADC 没有足够的时间来稳定采样时刻之间。缓冲模拟输入可防止这些错误。
来自主电源的干扰也会影响测量结果。因此，当设备由主电源供电时，50 Hz/60 Hz 抑制也是系统要求之一。AD7124-4/AD7124-8 等窄带宽 Σ-Δ ADC 的另一个好处是它提供灵活的数字滤波选项，可以将陷波设置为 50 Hz 和/或 60 Hz。
选定的滤波器类型以及编程的输出数据速率会影响建立时间及其噪声性能。该器件还提供不同的功率模式，允许用户调整 ADC 以获得功率、速度或性能。系统的电流消耗或功率预算分配在很大程度上取决于终应用。如果系统需要更高的输出数据速率和更好的噪声性能，则可以将器件配置为全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要有限的功耗，则设备可以在中等或低功率模式下运行。
除了准确性或性能，时间也是一个因素。在大多数应用中，需要满足特定时间才能执行所有测量。如果启用多个通道——即使用多个传感器——设计人员需要考虑通过数字滤波器的延迟。在多路复用 ADC 中，当启用多个通道时，每次切换通道时都需要建立时间；因此，选择稳定时间较长的滤波器类型（即 sinc4 或 sinc3）会降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或 FIR 滤波器可用于以较低的建立时间提供合理的同步 50 Hz/60 Hz 抑制，从而提高吞吐率。可以通过热敏电阻配置器测试所有滤波器选项和输出数据速率选择的子集 和错误预算计算器。这将产生预期的噪声性能，并将提供给将在下一节中讨论的系统误差计算。请注意， Virtual Eval 在线工具提供了完整的输出数据速率/FS 值/吞吐率选择。Virtual Eval 显示不同场景的时序，可用于评估 ADC 的时序性能，无论是测量单个还是多个热敏电阻传感器。
错误预算计算
如前所述，热敏电阻配置器和误差预算计算器允许用户修改系统配置以获得性能。图 3 中所示的误差预算计算器可帮助设计人员了解与 ADC 相关的误差以及来自系统配置的误差（有无内部或系统校准）。系统错误饼图指示系统的哪个部分对整个系统错误的贡献。因此，客户可以修改 ADC 或系统配置以获得性能。
所示，ADC 引起的误差并不是整个系统误差的主要误差来源。在整个温度范围内运行时，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误差来源。
例如，如果我们在工具中将感测电阻温度系数从 10 ppm/°C 更改为 25 ppm/°C，您会发现整体系统误差将显着增加。因此，重要的是选择具有更好初始精度和更低温度系数的检测电阻器，以限度地减少任何可能的温度漂移误差。
AD7124-4/AD7124-8 提供不同的校准模式，可用于进一步减少测量误差。建议在加电或软件初始化时进行内部校准，以消除 ADC 在标称温度下的增益和偏移误差。请注意，该工具使用的增益设置为 1。AD7124-4/AD7124-8 的出厂校准增益为 1，所得增益系数是器件的默认增益系数。因此，该器件不支持增益为 1 时的进一步内部满量程校准。请注意，标称温度下的内部校准仅消除 AD7124-4/AD7124-8 增益和失调误差，而不是增益和失调误差以及任何漂移由外部电路产生的错误。执行系统校准可以消除外部错误。在不同的温度点进行校准也可以改善漂移性能。但是，这会增加额外的成本和工作量，并且可能不适合某些应用程序。
故障检测
对于任何恶劣环境或安全优先的应用，诊断功能变得越来越重要，甚至是必需的。即使对于不安全的设计，诊断也能增加稳健性，确保设计的所有模块都正常运行，并且处理器只接收有效数据并根据有效数据采取行动。AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式诊断功能减少了对外部元件实施诊断的需求，从而提供更小、更简单、更省时、更省钱的解决方案。诊断包括：
检查模拟引脚上的电压电平以确保其在指定的工作范围内
参考电压检查
串行外设接口 (SPI) 总线上的循环冗余校验 (CRC)
内存映射上的 CRC
信号链检查
这些诊断导致更强大的解决方案。
热敏电阻系统评估
在概念化系统设计并了解预期的系统性能之后，设计人员的下一步是制作原型并验证设计的性能。CN-0545是 Circuits from the Lab 参考设计，它利用EVAL-AD7124-4 / EVAL-AD7124-8评估板及其评估软件为精度为 0.1°C 的热敏电阻提供测量数据。CN-0545 中的电路使用一个 10 kΩ 的 44031 型 NTC 热敏电阻传感器，其指定测量范围为 –50°C 至 +150°C，在 0°C 至 +70°C 之间的精度为 ±0.1°C，并且a 在更宽的温度范围内为 ±1°C。
显示了 CN-0545 的测量结果。该测量数据是使用 AD7124-4/AD7124-8 评估板捕获的，这些评估板包括热敏电阻演示模式，可测量热敏电阻电阻并使用传感器的 Steinhart-Hart 常数计算等效 °C。该图显示了实际的性能结果。如果将其与误差预算计算器进行比较，实际结果可能会比该工具提供的估计值更好。这种差异是由于该工具对所有参数都使用了值，因此它提供了电路的坏情况分析。实际上，系统中使用的
电子元件和组件的传感器漂移、初始精度和温度漂移并不总是处于指定的值。
点击查看完整大小的图片
图 4. 热敏电阻温度精度测量，后置滤波器，低功耗模式，25 SPS。
提供这种经过验证的灵活参考电路板对系统设计人员很有价值，因为它可以缩短设计周期并提供良好的电路技术。除了硬件之外，该软件还支持针对每个热敏电阻传感器的不同系统优化和校准技术，以满足市场对易于使用、高精度和可靠信号链解决方案的需求。
提供设计人员工具和硬件演示模式电路可以简化设计过程，但系统设计人员处理测量的方法不同，并且可能使用不同的控制器进行软件处理。为了进一步简化开发过程，可以使用一个简单的固件应用程序AD7124 温度 测量演示示例，通过选择控制器板、软件平台、设备配置和测量传感器（例如热敏电阻）来生成自定义代码。这个开源 Mbed 平台提供了支持超过 150 个控制器板的能力，无论是否修改。因此，它可以实现快速原型设计和更快的开发阶段。
结论
本文表明，设计基于热敏电阻的温度测量系统是一个具有挑战性的多步骤过程。为了简化系统设计人员的旅程，热敏电阻配置器和误差预算计算器以及虚拟评估、评估板硬件和软件、Mbed 固件和 CN-0545 可用于解决不同的挑战，例如连接问题和整体错误预算，使用户的设计更上一层楼。
使用高度集成的低带宽 sigma-delta ADC 可进一步减少设计工作量，因为它们提供了激励、调节和测量传感器所需的构建块，同时消除了 50 Hz/60 Hz 抑制等问题。
