在開發(fā)數(shù)字溫度測量電路時，必須首先確定在純機(jī)械方面的設(shè)計(jì)。不過，這里不會考慮這些事項(xiàng)。那么接下來是考慮電熱方面事項(xiàng)，在這個方面，需要回答以下問題：

• 預(yù)期的溫度范圍是多少?

• 需要哪種級別的測量精度?

• 使用哪類溫度傳感器?

• 傳感器電氣特性容差有多大?

• A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)提供哪種最小比特率?

• 傳感器的信號采樣率必須多高?

• 在應(yīng)用中所有其他無源組件的數(shù)值和容差有多大?

確定溫度范圍和測量精度尤為重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了后續(xù)步驟。例如，這個用例中的溫度范圍應(yīng)為+ 25°C至+ 150°C，整體精度必須為±2°C。在這種情況下，可以使用的溫度傳感器有兩種：一種是高靈敏度但非線性的熱敏電阻，另一種則是電阻溫度裝置(RTD)，比如靈敏度較低的線性鉑金溫度傳感器。

選擇合適的傳感器：不是容易的決定

選擇合適的傳感器時，確定哪一個傳感器可用于達(dá)到所需的規(guī)格是很重要的。僅僅回答上面列出的每個問題是不夠的。由于各種參數(shù)表現(xiàn)出復(fù)雜的相互作用，即它們彼此影響。通常來說，一個系統(tǒng)的限制因素決定了測量的準(zhǔn)確性。如果這是未知的，將剩余參數(shù)的容差降低到接近零幾乎是沒有作用的。例如，如果使用精密熱敏電阻的目標(biāo)是進(jìn)行精度優(yōu)于±0.2°C的溫度測量，同時使用了簡單的8位A/D轉(zhuǎn)換器，就會顯著降低熱敏電阻的測量精度。反過來也是如此：如果使用中等精度的傳感器，24位A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用便沒有很大意義了。如果要檢測最小的溫差，建議使用具有高差分線性度的ADC和校準(zhǔn)算法。

另一種實(shí)現(xiàn)最精準(zhǔn)測量的方法是使用具有線性溫度特性的A級鉑金傳感器(在0°C時為±0.15°C)。然而，其溫度系數(shù)低于熱敏電阻的溫度系數(shù)，即必須放大測量信號。這需要額外的硬件并帶來更多的容差。

顯然，這使得組件的選擇成為一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，通常需要進(jìn)行大量的測試。這需要花費(fèi)時間和金錢。如果可以選擇具有一定容差的傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器精度和其他硬件組件，設(shè)置“虛擬樣機(jī)測試系統(tǒng)”，并且進(jìn)行的模擬操作可以即時顯示可實(shí)現(xiàn)的精度，那么這項(xiàng)工作就會更容易、更快捷。這正是基于PSpice的仿真程序，它們大多是免費(fèi)的，即便它們是模擬仿真軟件。由于PSpice及其眾所周知的“輕型”版本可以模擬數(shù)字溫度計(jì)的任何過程，如圖1所示(盡管看起來與基于RTD的電路相似，但這其實(shí)是基于熱敏電阻的電路)。

數(shù)字溫度計(jì)的組件

不管你是選擇NTC(負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻還是鉑金RTD作為溫度傳感器，這些組件的SPICE模型很容易找到。此外，該電路包含一個由熱敏電阻和一個固定電阻組成的分壓器，低壓電源提供測量電流。在放大并通過適當(dāng)?shù)腁DC進(jìn)行濾波后，將得到數(shù)字化的電壓。理想的組件是JRC的新型模擬前端(NJRC9103)，它可以直接連接溫度傳感器。這款A(yù)FE直接提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，還提供各種用于偏移補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)功能，微處理器利用它來計(jì)算溫度。

直接瞬態(tài)電路仿真(圖2)顯示了應(yīng)用的溫度曲線、傳感器的延遲和斜率響應(yīng)以及信號的數(shù)字化?？梢栽趫D中下半部分看到讀出溫度的時間偏差。為了更容易識別數(shù)字化，我們選擇了10位的較低A/D轉(zhuǎn)換器分辨率和200ms的長采樣時間用于模擬操作。

傳感器的特性和容差，如本示例中使用的威世NTCALUG系列10kΩ NTC熱敏電阻，以及固定電阻，可以使用Spice輕松模擬。借助模擬行為建模電壓源，執(zhí)行信號的數(shù)字化和數(shù)字化原始測量數(shù)據(jù)到溫度的轉(zhuǎn)換操作。有趣的是，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)(n)現(xiàn)在是模擬操作的參數(shù)，并且可以在8和24之間變化。采樣/保持模塊的采樣時間(tone)也是可變參數(shù)。使用Sigma Delta ADC時，可以省去外部采樣/保持，特別是因?yàn)闇囟茸兓ǔ０l(fā)生在100 ms范圍內(nèi)。

在此示例中，10ms采樣時間是第一個需要設(shè)置的參數(shù)。然后可以通過輸入8到24位之間的值來確定理想的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率。當(dāng)計(jì)算誤差函數(shù)作為讀出溫度和熱敏電阻溫度之差的有效值時，在n>16分辨率下誤差不會進(jìn)一步降低，如圖3所示。

或者，也可以優(yōu)化串聯(lián)電阻器R1以實(shí)現(xiàn)最小誤差值。圖4說明了Rs串聯(lián)電阻的誤差函數(shù)在4.7 kΩ下達(dá)到最小值。在SPICE指令中定義ERR(錯誤)函數(shù)用于模擬操作(參見圖1)。

在下一步驟中，改變熱敏電阻和固定電阻器R1的容差，并且針對每個容差執(zhí)行基于這些容差的最壞情況分析。圖5至圖7顯示了三種情況：圖5顯示了NTC的結(jié)果，其中dR25/R25 = ±1%，B25/85容差為±0.5％，結(jié)合威世的0.5%薄膜TNPW系列扁平芯片電阻器。在這種情況下，測量不確定度從25°C時的±0.4°C增加到在100°C時的±1.5°C。 這項(xiàng)模擬適用于最壞情況?？紤]到NTC的R25和B25/85容差以及固定電阻R1，23 = 8示例的容差，白色曲線是參考曲線。圖5中的模擬數(shù)值顯示容差值是均勻分布的，這意味著，相對于彼此的容差，電阻器的選擇是適當(dāng)?shù)摹?/p>

圖6顯示，通過將所有電阻容差減半，溫度測量不確定度可以減半(熱敏電阻為R25 = 0.5% 和 B25/85 = 0.25%，固定電阻則為0.25%)。 然而，這有點(diǎn)過于激進(jìn)了，因?yàn)槲覀儜岩墒欠袼须娮韫?yīng)商都能夠保證B25/85值為±0.25％。比如，B25/85系數(shù)的常見值是±1.5%。如果使用與圖5中相同的數(shù)值執(zhí)行相同的模擬操作，而B容差為±1.5％，可以達(dá)到圖7中所示結(jié)果。由于高溫下相對較大的測量誤差，它們表明設(shè)計(jì)不理想。我們還可以清楚地看出，最壞情況分析的容差值結(jié)果分布也不理想。

這表明：可以使用相對簡單的模擬電路，并按照組件參數(shù)將溫度測量電路的整體精度可視化，這是進(jìn)行附加實(shí)驗(yàn)以減少開發(fā)時間和成本的理想起點(diǎn)。