用模拟温度传感器更快速更轻松地开发数字温度计

Bert Weiss Alain Stas

病患、周日烤肉、淋浴或水族箱用水——在这些情况下更多地用数字温度计来测量温度，而不是模拟温度计。温度传感器的选择对开发工作具有决定性作用。一款免费的模拟程序使得这项任务变得更加容易，同时有助于节省时间和费用。

在开发数字温度测量电路时，必须首先确定在纯机械方面的设计。不过，这里不会考虑这些事项。那么接下来是考虑电热方面事项，在这个方面，需要回答以下问题：

预期的温度范围是多少？

需要哪种级别的测量精度？

使用哪类温度传感器？

传感器电气特性容差有多大？

A/D转换器应提供哪种最小比特率？

传感器的信号采样率必须多高？

在应用中所有其他无源组件的数值和容差有多大？

确定温度范围和测量精度尤为重要，因为它们决定了后续步骤。例如，这个用例中的温度范围应为+25℃至+150℃，整体精度必须为±2℃。在这种情况下，可以使用的温度传感器有两种：一种是高灵敏度但非线性的热敏电阻，另一种则是电阻温度装置（RTD），比如灵敏度较低的线性铂金温度传感器。

选择合适的传感器：不是容易的决定

选择合适的传感器时，确定哪一个传感器可用于达到所需的规格是很重要的。仅仅回答上面列出的每个问题是不够的。由于各种参数表现出复杂的相互作用，即它们彼此影响。通常来说，一个系统的限制因素决定了测量的准确性。如果这是未知的，将剩余参数的容差降低到接近零几乎是没有作用的。例如，如果使用精密热敏电阻的目标是进行精度优于±0.2℃的温度测量，同时使用了简单的8位A/D转换器，就会显着降低热敏电阻的测量精度。反过来也是如此：如果使用中等精度的传感器，24位A/D转换器的应用便没有很大意义了。如果要检测最小的温差，建议使用具有高差分线性度的ADC和校准算法。

另一种实现最精准测量的方法是使用具有线性温度特性的A级铂金传感器（在0℃时为±0.15℃）。然而，其温度系数低于热敏电阻的温度系数，即必须放大测量信号。这需要额外的硬件并带来更多的容差。

显然，这使得组件的选择成为一项复杂的任务，通常需要进行大量的测试。这需要花费时间和金钱。如果可以选择具有一定容差的传感器、A/D转换器精度和其他硬件组件，设置 “虚拟样机测试系统”，并且进行的模拟操作可以即时显示可实现的精度，那么这项工作就会更容易、更快捷。这正是基于PSpice的仿真程序，它们大多是免费的，即便它们是模拟仿真软件。由于PSpice及其众所周知的“轻型”版本可以模拟数字温度计的任何过程，如图1所示（尽管看起来与基于RTD的电路相似，但这其实是基于热敏电阻的电路）。

数字温度计的组件

不管你是选择NTC（负温度系数）热敏电阻还是铂金RTD作为温度传感器，这些组件的SPICE模型很容易找到。此外，该电路包含一个由热敏电阻和一个固定电阻组成的分压器，低压电源提供测量电流。在放大并通过适当的ADC进行滤波后，将得到数字化的电压。理想的组件是JRC的新型模拟前端（NJRC9103），它可以直接连接温度传感器。这款AFE直接提供数字数据，还提供各种用于偏移补偿的校准功能，微处理器利用它来计算温度。

直接瞬态电路仿真（图2）显示了应用的温度曲线、传感器的延迟和斜率响应以及信号的数字化。可以在图中下半部分看到读出温度的时间偏差。为了更容易识别数字化，我们选择了10位的较低A/D转换器分辨率和200ms的长采样时间用于模拟操作。

传感器的特性和容差，如本示例中使用的威世NTCALUG系列lOkQ NTC热敏电阻，以及固定电阻，可以使用Spice轻松模拟。借助模拟行为建模电压源，执行信号的数字化和数字化原始测量数据到温度的转换操作。有趣的是，A/D转换器的位数（n）现在是模拟操作的参数，并且可以在8和24之间变化。采样/保持模块的采样时间（tone）也是可变参数。使用Sigma Delta ADC时，可以省去外部采样/保持，特别是因为温度变化通常发生在100ms范围内。

在此示例中，10ms采样时间是第一个需要设置的参数。然后可以通过输入8到24位之间的值来确定理想的A/D转换器分辨率。当计算误差函数作为读出温度和热敏电阻温度之差的有效值时，在n>16分辨率下误差不会进一步降低，如图3所示。

或者，也可以优化串联电阻器R1以实现最小误差值。图4说明了Rs串联电阻的误差函数在4.7kΩ下达到最小值。在SPICE指令中定义ERR（错误）函数用于模拟操作（参见图1）。

在下一步骤中，改变热敏电阻和固定电阻器R1的容差，并且针对每个容差执行基于这些容差的最坏情况分析。图5至图7显示了三种情况：图5显示了NTC的结果，其中dR25/R25-±1%，B25/85容差为±0.5%，结合威世的0.5%薄膜TNPW系列扁平芯片电阻器。在这种情况下，测量不确定度从25℃时的±0.4℃增加到在100℃时的±1.5℃。这项模拟适用于最坏情况。考虑J4NTC的R25和B25/85容差以及固定电阻R1，23=8示例的容差，白色曲线是参考曲线。图5中的模拟数值显示容差值是均匀分布的，这意味着，相对于彼此的容差，电阻器的选择是适当的。

图6显示，通过将所有电阻容差减半，温度测量不确定度可以减半（热敏电阻为R25=0.5和B25/85=0.25%，固定電阻则为0.25%）。然而，这有点过于激进了，因为我们怀疑是否所有电阻供应商都能够保证B25/85值为±0.25%。比如，B25/85系数的常见值是±1.5%。如果使用与图5中相同的数值执行相同的模拟操作，而B容差为±1.5%，可以达到图7中所示结果。由于高温下相对较大的测量误差，它们表明设计不理想。我们还可以清楚地看出，最坏情况分析的容差值结果分布也不理想。

这表明：可以使用相对简单的模拟电路，并按照组件参数将温度测量电路的整体精度可视化，这是进行附加实验以减少开发时间和成本的理想起点。

上海山景获得CEVA授权许可

CEVA宣布，上海山景集成电路有限公司已经获得授权许可，在其瞄准家庭音频、汽车和智能扬声器等无线音频应用的最新BP1048音频处理器SoC中部署使用CEVA的RiveraWaves蓝牙双模IP。

BP1048是一款高度集成的音频应用处理器，具有蓝牙5双模、DSP和多个混合信号音频模块，还带有音频处理算法以支持全面广泛的音频应用，比如蓝牙音频设备、智能扬声器、卡拉OK麦克风、娱乐设备、音效处理设备和汽车音响等。

上海山景总经理刘纵表示：“高质量的蓝牙连接是无线音频应用的必备功能，CEVA的RW蓝牙双模IP提供出色的性能，并且有专业的技术支持。我们的BP1048 SoC结合了公司的音频技术专长与CEVA领先的蓝牙IP，为客户提供了极具吸引力的无线音频体验。”

CEVA副总裁兼无线物联网业务部门总经理Ange Aznar表示：“我们很高兴地宣布上海山景成为了CEVA蓝牙IP的获授权厂商，其BP1048是一款极具竞争力的无线音频处理器产品，它反映了上海山景在这个市场中拥有公认的优势。”