EUR | USD

Creëer snel een nauwkeurige temperatuurdetectieschakeling op thermistorbasis

By Bonnie Baker

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Temperatuursensors horen bij de meest gebruikte sensors van de elektronica-industrie, met toepassingen als kalibratie, veiligheid en verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC). Ondanks hun brede gebruik kunnen temperatuursensors en hun implementatie ontwikkelaars voor uitdagingen stellen als het gaat om het bereiken van de meest nauwkeurige prestaties voor de laagst mogelijke kosten.

Er zijn veel verschillende manieren om temperatuur te detecteren. De meest algemeen gebruikte methoden gebruiken temperatuursensors zoals de thermistor, weerstandstemperatuurdetector (resistance temperature detector - RTD), thermoelement of een siliciumthermometer. Het selecteren van de juiste sensor is echter slechts een deel van de oplossing. Die sensor moet vervolgens worden aangesloten op een signaalketen die de integriteit van dat signaal in stand houdt, terwijl ook nauwkeurig compensatie wordt geboden voor de unieke kenmerken van de gebruikte detectietechnologie om een nauwkeurige digitale weergave van de temperatuur te garanderen.

In dit artikel wordt een oplossing met een door USB-gevoede schakeling voorgesteld voor het uitvoeren van deze taak. Deze gebruikt een thermistor met negatieve temperatuurcoëfficiënt (negative temperature coefficient - NTC) in combinatie met de precisie-analoge microcontroller van Analog Devices, de ADuC7023BCPZ62I-R7, om de temperatuur nauwkeurig te monitoren.

Kenmerken van de NTC-thermistor

Een thermistor is een thermisch gevoelige weerstand, waarvan er twee types bestaan: de positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC)-thermistor en de NTC-thermistor. De PTC-thermistor van polykristallijn keramiek heeft een hoge PTC en wordt gewoonlijk gebruikt in schakelende toepassingen. De keramische halfgeleider NTC-thermistor heeft een hoogresistieve NTC, zodat zijn weerstand vermindert bij een toenemende temperatuur. Dit maakt hem geschikt voor precisietemperatuurmetingen.

Er zijn drie NTC-thermistor gebruiksmodi: weerstand-versus-temperatuur, spanning-versus-stroom en stroom-over-tijd. De modus die de weerstand-versus-temperatuurkenmerken van de thermistor gebruikt, biedt de resultaten met de hoogste precisie.

Weerstand-versus-temperatuurschakelingen configureren de thermistor in een "nul-vermogen"-toestand. De "nul-vermogen"-toestand neemt aan dat bekrachtiging door stroom of spanning van het apparaat er niet voor zorgt dat de thermistor zelf opwarmt.

In een typische NTC thermistor, zoals de NCP18XM472J03RB van Murata Electronics, het apparaat van 4,7 kiloohm (kΩ) in een 0603-pakket, is de weerstand-versus-temperatuurrespons sterk non-lineair (Afbeelding 1).

Grafiek van weerstand-versus-temperatuurrespons van een typische NTC-thermistorAfbeelding 1: De weerstand-versus-temperatuurrespons van een typische NTC-thermistor is sterk non-lineair, zodat ontwerpers een manier moeten vinden om deze non-lineariteit onder controle te brengen voor een bepaald temperatuurbereik. (Bron afbeelding: Bonnie Baker, berekend en getekend op basis van weerstandswaarden van Murata)

De grafiek in Afbeelding 1 toont de hoge mate van non-lineariteit van de 4,7 kΩ-thermistor. De snelheid waarmee de weerstand van een NTC-thermistor afneemt met de temperatuur is een constante die bekend is als beta (ß) (niet afgebeeld). Voor Murata's 4,7 kΩ-thermistor, β = 3500.

De correctie van de non-lineaire respons van de thermistor kan worden bereikt in software met een analoog-naar-digitaal converter (ADC) met een hoge resolutie en een empirische derde-orde polynoom of een lookup table.

Er is echter een redelijke, eenvoudiger en minder dure hardwaretechniek die, als deze wordt toegepast voordat de ADC wordt bereikt, het linearisatieprobleem van de thermistor onder controle kan brengen voor een temperatuurbereik van ±25°C.

Hardware-linearisatieoplossing

Een eenvoudige benadering van een linearisatie van het eerste niveau van de thermistoruitgang is om de thermistor in serie te plaatsen met een standaardweerstand (1%, metaalfolie) en een spanningsbron. De waarde van de serieweerstand bepaalt de mediaan van de lineaire regio van de thermistorschakeling. De weerstandswaarde van de thermistor (RTH) en de Steinhart-Hart-vergelijking bepalen de temperatuur van de thermistor (Afbeelding 2). De Steinhart-Hart-vergelijking is de beste wiskundige uitdrukking gebleken voor het bepalen van de temperatuur van een NTC-thermistor.

Schema van spanningsverdeler (RTH en R25) configuratie op 12-bits ADCAfbeelding 2: Een spanningsverdeler (RTH en R25) configuratie lineariseert de respons van de thermistor. Het lineaire bereik bij ADC0 (bij de ADC-ingang) is binnen een temperatuurbereik van ongeveer 50°C. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De afleiding van de werkelijke waarde van de weerstand van de thermistor, RTH, start met het definiëren van de uitgang van de spanningsverdeler (VADC0). VADC0 wordt dan gebruikt om de decimale code van de digitale ADC-uitgang te vinden, DOUT, waarbij DOUT afhangt van het aantal ADC-bits (N), de max ADC-ingangsspanning (VREF) en de ADC-ingangsspanning (VADC0). De derde en laatste stap voor het vinden van RTH is het vermenigvuldigen van R25 (of de 25°C RTH-waarde) met de verhouding van het aantal ADC-codes tot de decimale code van de digitale ADC-uitgang. De berekening van deze derde stap beging met Vergelijking 2 hieronder.

Vergelijkingen 1, 2 en 3

De laatste stap van de berekening is het omzetten van de thermistorweerstand in temperatuur in Kelvin-eenheden met de eerder genoemde Steinhart-Hart-vergelijking. De precisie-analoge microcontroller ADuC7023 bepaalt de sensortemperatuur met Vergelijking 4:

Vergelijking 4 Vergelijking 4

Waarin:

T2 = De thermistortemperatuur die wordt gemeten (in Kelvin-eenheden)

T1 = 298 Kelvin (25°C)

β = β-parameter van de thermistor @ 298 Kelvin of 25 °C. β = 3500

R25 = Thermistorweerstand @ 298 Kelvin of 25°C. R25 = 4,7 kΩ

RTH = Weerstand van de thermistor @ onbekende temperatuur, zoals berekend door Vergelijking 3

In Afbeelding 2 is de thermistorweerstand (RTH) gelijk aan 4,7 kΩ bij 25°C. Omdat de waarde van R25 gelijk is aan de 25°C-waarde van de thermistor, is de lineaire regio van de spanningsverdeler gecentreerd rondom 25°C (Afbeelding 3).

Grafiek van lineaire respons van een 4,7 kΩ-thermistor in serie met een 4,7 kΩ-standaardweerstandAfbeelding 3: Lineaire respons van een 4,7 kΩ-thermistor in serie met een 4,7 kΩ-standaardweerstand en 2,4 volt op de spanningsverdeler. (Bron afbeelding: Bonnie Baker, berekend en getekend op basis van weerstandswaarden van Murata)

In Afbeelding 3 reageert het serie-thermistorsysteem lineair op temperatuur over een beperkt temperatuurbereik van ongeveer 0°C tot +50°C. In dit bereik is de delta temperatuurfout ±1°C. De waarde van de linearisatieweerstand (R25) moet gelijk zijn aan de omvang van de thermistor op het middelpunt van het betreffende temperatuurbereik.

Deze schakeling verkrijgt typisch een 12-bits precisieniveau over een temperatuurbereik van ±25°C, met de nominale temperatuur van de thermistor op de waarde R25.

Temperatuurmonitor op USB-basis

Het signaalpad in de schakelingsoplossing start met de goedkope 4,7 kΩ-thermistor gevolgd door de goedkope ADuC7023-microcontroller van Analog Devices. De microcontroller bevat vier 12-bits digitaal-naar-analoog converters (DACs), een multikanaals 12-bits successief benaderingsregister (successive approximation register - SAR) ADC en een 1,2 volt interne referentie, naast een ARM7® kern, 126 Kbytes flash, 8 Kbytes statisch willekeurig toegankelijk geheugen (static random access memory - SRAM) en diverse digitale randapparaten, zoals een UART, timers, SPI en twee I2C-interfaces (Afbeelding 4).

Schema van de I2C-interface voor digitale communicatie van de ADuC7034 microcontroller van Analog DevicesAfbeelding 4: De temperatuurdetectieschakeling gebruikt een USB-verbinding voor voeding en de I2C-interface van de AduC7034-microcontroller voor digitale communicatie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 4 komen de voeding en aarde naar de schakeling helemaal van de vierdraads USB-interface. De ADP3333ARMZ-5-R7 lineaire low-dropout regelaar van Analog Devices gebruikt de 5 volt van de USB om een uitgang van 3,3 volt te genereren. De geregelde ADP3333-uitgang levert spanning aan de DVDD-spanning van de ADuC7023. De AVDD-voeding van de ADuC7023 heeft aanvullende filtering nodig, zoals afgebeeld. De lineaire regelaar heeft ook een filter tussen de USB-voeding en de IN-pen.

De uitwisseling van temperatuurgegevens gebeurt ook via de USB D+ en D- interfacepennen. De ADuC7023 kan I2C protocol gebruiken voor het zenden en ontvangen van gegevens. Deze toepassingsschakeling gebruikt de tweedraads I2C-interface om gegevens te zenden en configuratiecommando's te ontvangen.

Deze toepassing gebruikt de volgende ADuC7023-functies:

  • 12-bit SAR ADC
  • Een Arm ARM7TDMI met SRAM. Een geïntegreerd flashgeheugen van 62 Kbytes voert de gebruikerscode uit die de ADC configureert en bestuurt, de communicaties via de USB-interface beheert en de ADC-conversies van de thermistorsensor verwerkt.
  • De I2C-terminals zijn de communicatie-interface met de host-pc.
  • Twee externe schakelaars\toetsen (niet afgebeeld) forceren het onderdeel in de flash-bootmodus: door DOWNLOAD laag te houden en de RESET-schakelaar om te zetten, gaat de ADuC7023 de bootmodus in, in plaats van de normale gebruikersmodus. Het interne flashgeheugen kan opnieuw worden geprogrammeerd in de bootmodus met de USB-interface via de I2CWSD-softwaretool die met het apparaat is gekoppeld.
  • VREF is de bandgap-referentie. Deze spanningsreferentie is beschikbaar voor andere schakelingreferenties in het systeem. Een minimum van een 0,1 microfarad (μF) condensator wordt verbonden met deze pennen voor ruisvermindering.

Omdat de ADuC7023 in een small form factor (5 mm × 5 mm) 32-pins chip-scale pakket zit, past de hele schakeling op een extreem klein gedeelte van een printplaat, zodat er kosten en ruimte worden bespaard.

De ADuC7023 biedt een oplossing met laag verbruik, zelfs met de krachtige ARM7-kern en hogesnelheids-SAR ADC. De hele schakeling verbruikt typisch 11 milliampère (mA), waarbij de ARM7-kern draait op 5 megahertz (MHz) en de primaire ADC de externe thermistor meet. De microcontroller en/of de ADC kunnen worden uitgeschakeld tussen temperatuurmetingen in, om nog meer energieverbruik te besparen.

Lay-outoverwegingen

Het signaalverwerkingssysteem dat in Afbeelding 4 te zien is, is verrassend misleidend. Op het eerste gezicht bevat dit systeem slechts drie actieve apparaten. Maar onder deze eenvoud liggen enkele interessante lay-outuitdagingen begraven.

De ADuC7023 microcontroller is bijvoorbeeld een complex analoog en digitaal systeem dat speciale aandacht nodig heeft voor de aardingsregels. Terwijl dit systeem zich "langzaam lijkt te bewegen" in het analoge domein, is zijn on-board track-and-hold ADC een snel multikanaalsapparaat dat samplet met een snelheid van 1 megasample per seconde, met een maximale kloksnelheid van 41,78 MHz. In dit systeem zijn de stijg- en afvaltijden van de klok enkele nanoseconden. Die snelheden plaatsen deze toepassing in een hogesnelheidscategorie.

Natuurlijk hebben gemengd-signaalschakelingen speciale aandacht nodig. Dit is een checklist met vier punten voor de belangrijkste aspecten:

  1. Het gebruik van elektrolytische condensators
  2. De selectie van de kleinste condensator
  3. Overwegingen met betrekking tot het grondvlak
  4. Optionele, kleine ferrietparels

Een grote elektrolytische condensator wordt gewoonlijk gebruikt met een waarde tussen 10 mF en 100 mF, op niet meer dan twee inches afstand van de chip. Deze condensators werken als oplaadreservoirs om te voorzien in de onmiddellijke oplaadvereisten die gevraagd worden door de inductantie van de voedingssporen.

De kleinere condensators in de schakeling, gewoonlijk van 0,01 mF tot 0,1 mF, worden fysiek zo dicht mogelijk bij de voedingspennen van het apparaat geplaatst. Het doel van deze condensators is om zo snel mogelijk ruis met hoge frequentie naar aarde te sturen.

Het grondvlak, onder de ontkoppelingscondensators, ontkoppelt stromen met hoge frequentie en beperkt EMI/RFI-emissies. Het moet bestaan uit een groot gebied met lage impedantie. Om inductantie te beperken, loopt de aardeverbinding van de condensator door een VIA of een korte route.

Naast de ontkoppelingscondensators uit Afbeelding 4, is voor EMI/RFI-bescherming naar de USB-kabel het gebruik van ferriet nodig. De ferrietparels in deze schakeling zijn de BK2125HS102-T van Taiyo Yuden, die een impedantie hebben van 1000 Ω bij 100 MHz.

Conclusie

Temperatuursensors horen bij de meest gebruikte sensors, maar toch blijven ontwerpvereisten ontwerpers uitdagen om kosten en afmetingen te verminderen, terwijl de detectienauwkeurigheid moet worden verbeterd. Rekening houdend met die overwegingen heeft dit artikel de implementatie van een commercieel op USB gebaseerd thermistorsysteem met een laag verbruik besproken dat een kleine 12-bits ADC en hogeprecisie ADuC7023 microcontrolleroplossing van Analog Devices gebruikt. De combinatie gebruikt met succes een weerstand om een NTC-thermistor met non-lineair gedrag te temmen zodat deze de temperatuur nauwkeurig detecteert en bewaakt.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bonnie Baker

Bonnie Baker is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Burr-Brown, Microchip en Texas Instruments zorgen er al meer dan 30 jaar voor dat ze intensief betrokken is bij analoge ontwerpen en systemen. Bonnie heeft een Masters of Science in Electrical Engineering van de Universiteit van Arizona (Tucson, AZ) en een bachelor in Muziek van de Universiteit van Noord-Arizona (Flagstaff, AZ). Naast haar fascinatie voor analoge ontwerpen heeft Bonnie ook een passie voor het delen van haar kennis en ervaring via het schrijven van al meer dan 450 artikelen, ontwerp- en applicatiebeschrijvingen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key