设计说明

本文档介绍了如何设计一种使用热敏电阻与连续逼近型寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC) 直接监测温度的电路。此温度检测电路使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻与电阻串联构成分压器，来监测 –25°C 至 100°C 的温度范围。此分压器的作用是产生与监测温度成反比的输出电压。电阻分压器的源极电压是模数转换器 ADS7142 的模拟电源 (AVDD)，也是此器件的基准电压。通过将电阻分压器连接到基准输入 AVDD，测量将按比例式进行，这样将确保基准电压变化不会影响总体精度。与输入电阻并联的电容器用于支持 ADC 输入稳定性能。

热敏电阻用于监测电器、无线环境传感器以及烟雾和热量探测器等应用中的温度。在这些应用中，热敏电阻电压变化缓慢，因此无需在高采样率下进行采样。这意味着无需驱动输入放大器来调节输入电压。相似的电路设计在不使用前端缓冲器电路的情况下直接驱动 SAR 说明了如何测量从外部元件引入的漂移，这可以证明在在这些应用中是有帮助的。

规格

设计注释

1. 创建电阻分压器拓扑与 NTC 热敏电阻作为电阻分压器的第二个元件。使用此配置将导致 ADC 输入电压随温度上升而下降。输入电压随温度下降而升高或者随温度上升而降低。
2. 根据监测的温度范围设计电阻分压器中的 R1。将热敏电阻容差作为选择 R1 的容差的指南。通常，1% 容差的电阻就足以匹配热敏电阻容差配，但如果存在严格的要求，就需要性能更加优异的电阻。以下“元件选型”章节中提供了用于计算 R1 值的公式。
3. 采用与 NTC 并联的电容器 C1 有助于在 ADC 采样率的采集阶段内支持 ADC 输入稳定。电容器会影响系统的启动时间，因为电容器越大，需要的充电时间越长。

元件选型

1. 选择最适合所需应用要求的热敏电阻。在选择热敏电阻时，需考虑 β 值 (B)，这是器件数据表中的常用参数。B 值在给定温度范围内指定，表示热敏电阻在指定的温度范围内的阻值变化。本例中选定的 NTC 在 25°C 时为 100kΩ，B(25/85) 值为 3977。
2. 需要计算 NTC 将经历的预期极值电阻来选择 R1。R1 的值使创建的电压与温度间的关系更加线性化。根据温度确定 NTC 电阻的公式如下；计算要求温度为开尔文。
   

   其中

   • R_NTC 是温度 T 下的热敏电阻的阻值 (Ω)
   • R_@298.15K 是数据表中给出的在 25°C 下测量的热敏电阻的阻值 ((Ω)
   • B 是数据表中的热敏电阻 B 值，单位为开尔文 (K)
   • T 指热敏电阻在 (0°C + 273.15 = K)下的温度，单位为开尔文 (K)

   温度范围（单位为开尔文）：

   • T_min = –25°C + 273.15 = 248.15K
   • T_max = 100°C + 273.15 = 373.15K

   热敏电阻的阻值：

   • R_min = R_@373.15K = 100kΩ ∙ e^{3977(1/373.15K - 1/248.15K)} = 6.849kΩ
   • R_max=R_@248.15K = 100kΩ ∙ e^{3977(1/248.15K - 1/248.15K)} = 1,469.744kΩ
3. 使用预期最小和最大 NTC 电阻计算 R1 的值。最接近的电阻值为 100kΩ。

   R₁ = √(R_@373.15K ∙ R _@248.15K) = √(6.849kΩ ∙ 1,469.744kΩ) = 100.333kΩ

4. 选择电容器值。由于电容器的功能是支持 ADC 输入稳定性能，因此将根据 ADC 的采样率来确定电容器值。在本例中，目标采样率为 10kHz，最大转换时间为 1.8μs。

   使用模拟工程师计算器有助于根据系统的工作情况和 ADC 数据表中的值来设计此值。在计算器工具中，选择 Data Converters（数据转换器） > ADC Drive Without Amplifier（无放大器的 ADC 驱动），然后选择 Sampling Rate Given Rin （采样率给定）和 Cin 选项卡。使用此工具根据计算的可实现采样率 Fsamp(max) 来求解 C1。在此窗口中，输入 ADC 采样保持电容 15pF，即电阻分压器在最坏稳定情况下的并联等效值， 即 NTC 最大阻值为 93.627kΩ、最大转换时间为 1.8us 和 ADC 分辨率为 12 时。输入的初始 Cfilt 值应为 20 × ADC 采样保持电容，在本例中为 15pF ∙ 20 = 300pF。输入此值会导致最大采样率小于所需的 10kHz。鉴于此，将 Cfilt 减小到使 Fsamp(max) 等于或大于 10kHz 的值。在本例中，C1 的值为 100pF。

   
5. 运行瞬态仿真以验证整个温度范围内的 NTC 性能，且采样时间内的输入稳定在半个 LSB 内。

设计模拟模型

以下是 ADS7142 一阶模型的原理图。采用 TI 精密实验室 – ADS： 中解说的步骤创建。构建 SAR ADC 模型。ADC 采样率设置为 10kHz。

温度传输特性

–25°C 至 100°C 的所需温度范围的线性 NTC 电压范围处于 ADC 输入范围内，并使用了 87% 的 ADC 满标量程。以下公式用于根据 ADC 测量的电阻分压器求解测量温度。这并不包含系统校准或系统容差。

其中：

• T 为温度，单位为开尔文 (K) (°C + 273.15 = K)
• Vo 是由 ADC 测量的电阻分压器输出电压
• B 是 NTC 的热敏电阻 B 值，单位为开尔文 (K)，本例中为 3977
• R_@298.15K 是 25°C 下的热敏电阻的阻值 (Ω)，本例中为 100kΩ
• V_AVDD 是分压器的参考电压和源电压，本例中为 3.3V
• R₁ 为 100kΩ

瞬态直流输入启动和稳定

预期的启动时间随 NTC 电阻状态而异。下图显示了 NTC 将经历的最大电阻值，因为这是 ADC 输入稳定的最坏情况。Verror 图显示了在每个采集周期结束时输入稳定误差小于 LSB 的一半，即±402μV。请参阅 TI 精密实验室：有关 ADC 稳定的解说，请参阅驱动 ADC 输入。

小型布局

ADS7142 是一款采用 1.5mm × 2mm 的小型 X2QFN 封装的双通道 I2C ADC。下图是使用 ADS7142 的系统级解决方案，每个模拟输入连接两个 NTC，而每个输入可监测不同类型的传感器。

设计中采用的器件

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。

主要仿真文件链接

https:///www.ti.com/cn/lit/zip/sbac283