作為支持模擬和數字溫度傳感器的高級應用/系統工程師，我遇到了很多關于溫度傳感器應用的問題。其中許多是關于模數轉換器（ADC）的。ADC 非常重要，我花了很多時間談論它們，包括 ADC 對系統精度的意義以及如何理解和使用所選傳感器實現最大系統精度。

溫度傳感器用于需要監控功率晶體管和散熱器的大功率開關電源設計。電池充電系統需要一個溫度傳感器來監控電池的溫度，以便安全充電并優化電池壽命。家用恒溫器需要一個溫度傳感器來監測室溫，從而相應地控制供暖、通風和空調系統。

在這些應用中，一種常用的溫度測量方法使用負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻。這些熱敏電阻是電阻器件，可隨溫度改變電阻。

滿足當今溫度傳感需求的一種更新、更高效、更準確的方法是硅基熱敏電阻，它是一種正溫度系數 (PTC) 器件。PTC 不是電阻器件，而是電流模式器件。在電流模式下工作的硅提供基于溫度的線性輸出電壓。

無論您使用 NTC 還是 PTC，您的設計都需要一個 ADC 和一個微控制器 (MCU) 來測量熱敏電阻的電壓輸出。在本文中，我將回顧帶有 MCU 的硅基熱敏電阻的許多優點，并討論 NTC 和 PTC 熱敏電阻的優缺點。

單片機選擇

選擇 MCU 時您有很多選擇，但很可能在您選擇溫度傳感器時已經選擇了該組件。您可以關注的是溫度傳感應了解的 ADC 外設細節。

ADC 選擇

有許多不同類型的 ADC。最流行的兩種是逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和 delta-sigma ADC。Delta-sigma ADC 提供高分辨率（高達 32 位分辨率），但采樣速度較慢。SAR ADC 是最古老和最常見的 ADC 類型，具有 8 到 18 位的分辨率和更快的轉換速度。對于溫度傳感，任一 ADC 類型都是不錯的選擇。

ADC 分辨率

ADC 的位數將決定分辨率，而不是精度。分辨率是 ADC 用于測量施加到 ADC 引腳的模擬電壓的步長。分辨率位數以及電壓參考 (V REF ) 將設置 ADC 步長的值。

例如，一個 10 位 ADC 有 2個 10 = 1,024 個離散最低有效位 (LSB)，3.3 V DC的 V REF將提供 3.3/1,024 = 0.003226 V DC /ADC LSB 的分辨率。16 位 ADC的總分辨率為2 16 = 65,536 LSB，每個 ADC 位的電壓分辨率為 0.000005035 V DC 。更多的 ADC 位意味著更高的測量分辨率，這可以導致更準確的溫度。

不要將精度與分辨率混淆。分辨率是查看被測電路值變化的能力。用于溫度測量的典型 MCU ADC 運行分辨率為 12 至 16 位。您會發現 8 位或 10 位 ADC 無法提供足夠的分辨率來查看熱敏電阻的精度，并且溫度步長通常較大，這通常是不可接受的。

過采樣以獲得更高分辨率

過采樣是一種平均測量值以提高分辨率和信噪比的方法。過采樣的工作原理是將多個溫度測量值與噪聲相加，然后取平均值以獲得更準確的值。對于分辨率每增加一位，信號必須被過采樣 4 倍。每 8 次過采樣，分辨率將增加 2 位：16 次過采樣將使 10 位 ADC 的總分辨率增加到 14 位。

如果樣本數量高于奈奎斯特速率，您可以在應用程序中使用任意數量的樣本 (N#) 來獲得設計所需的分辨率。奈奎斯特率是您想要實際溫度讀數的頻率。樣本總數必須至少比實際所需的溫度結果快 N# 倍。

使用過采樣方法時在輸入信號中加入一些抖動噪聲可以改善分辨率誤差。在許多實際應用中，噪聲的小幅增加非常值得大幅提高測量分辨率。在實踐中，將抖動噪聲置于測量感興趣的頻率范圍之外，隨后可以濾除數字域中的這種噪聲，從而在感興趣的頻率范圍內進行最終測量，同時具有更高的分辨率和更低的噪聲。

提供抖動噪聲的最佳方法是將熱敏電阻分壓器的公共集電極電壓 (V CC ) 和 V REF分開（使用MCU的內部 V REF用于 ADC）。不要在電阻分壓器電壓檢測線上放置電容器。在許多情況下，電路噪聲足以抖動電阻分壓器電壓以進行平均。抖動噪聲必須等于四位或更多位的幅度。V REF為 3.3 V DC的 10 位 ADC的電壓步長為 0.0032 V DC. 抖動噪聲必須至少高于和低于預期溫度測量的四位分辨率。10 位 ADC 的最小抖動噪聲需要比 ADC 的最低有效位高 ±0.0128 V DC（0.0256 V DC峰峰值）或更高，以便提供必要的電平以適當地將 ADC 位分辨率提高平均。

在 ADC 讀入一個位值并計算溫度后，您可以將該值存儲在先進先出 (FIFO) 軟件陣列中。當一個新值進入數組時，最舊的樣本被丟棄，所有其他樣本都轉移到下一個相應的單元格，從而創建一個 FIFO。可以將這種平均方法應用于溫度轉換過程中使用的任何值，包括溫度、ADC 位值、分壓器電壓，甚至計算出的電阻。所有這些因素在平均時都會很好地發揮作用。

定點或浮點

如果您必須在沒有硬件的情況下進行浮點數學運算，MCU 內部可能有浮點單元硬件或可用的固件庫。32 位非浮點設備的快速示例包括 Arm Cortex-M4 設備；帶有浮點的版本被標記為 Cortex-M4F。與使用定點設備和浮點固件庫相比，在 MCU 中安裝浮點硬件可以加快計算時間，并且需要更少的功率。

有一個固定點意味著只能使用大于零的整數。例如，1 + 1 = 2，平均為 1。如果將 2 + 1 相加得到 3，則平均為 1.5。在定點計算中，結果將為 1，小數點以下沒有數字。

使用固定點測量溫度時，您只能看到和參考整數的溫度：22°C、23°C、24°C。浮點可以更高分辨率地顯示溫度：22.1°C、22.15°C。使用浮點計算溫度的數學運算更容易，或者您可以使用帶有插值的查找表。您還可以使用具有固定點和個位數分辨率的查找表，這對于許多應用程序都是可以接受的。

選擇熱敏電阻

熱敏電阻有兩種類型：NTC 和 PTC，通常被認為是同一類型的器件。這是不正確的。NTC 是一種電阻裝置，可隨溫度改變電阻。NTC 的實施需要在熱敏電阻頂部放置一個電阻器并施加穩壓電壓，如圖 1 所示。當溫度變化時，熱敏電阻中的電阻會發生變化，從而改變 R偏置電阻上的電壓降。分壓電阻器中心的輸出是模擬電壓，將由 ADC 測量。

PTC 是一種基于電流運行的硅器件。隨著溫度的變化，傳導電流也會發生變化。大多數 PTC 使用恒流源運行，如圖2 所示。當電流發生變化時，電流源提供的電壓也會發生變化。

ADC 測量電壓的變化，然后將測量值轉換為溫度。

您也可以像使用帶有 R偏置電阻的 NTC 熱敏電阻一樣使用 PTC，如圖 1 所示。頂部電阻器將充當您的電流源。PTC 通常對溫度變化具有更好的熱敏感性，并且在相同條件下與 NTC 相比，對微小變化的響應能力更強。

圖 1：分壓器電路實現（左）和圖 2：恒流電路實現（右）

PTC 的另一個好處是它在 V temp連接處具有線性輸出（如圖3所示），使其更易于校準。V temp連接處的線性輸出也使器件在整個溫度范圍內更加準確。

圖 3：PTC 熱敏電阻線性電阻斜率

NTC 具有類似于圖 4中所示的非線性輸出，并且可能需要在溫度室中進行三點校準以允許斜率補償，以及偏移誤差調整以在整個溫度范圍內保持準確。NTC 的非線性斜率在沒有校準的情況下在整個溫度范圍內提供穩定的溫度信息時不一致。

圖 4：NTC 熱敏電阻非線性電阻斜率

在正常情況下，NTC 可以使用具有合理溫度分辨率的 12 位 ADC，尤其是在較冷的溫度下。然而，PTC 通常需要一個 14 位 ADC 才能獲得足夠的分辨率來查看溫度階躍。PTC 在所有溫度下都需要 14 位 ADC，但 NTC 需要 14 位 ADC 來測量 60°C 以上的溫度。

在PTC 頂部添加一個 R偏置電阻器會減小其動態范圍。較低的動態范圍是 ADC 的降低電壓反饋；這就是 PTC 需要 14 位 ADC 分辨率的原因。然而，由于 PTC 的線性斜率，較低的動態范圍將導致較大的溫度誤差測量。室溫下的單點偏移將在整個溫度范圍內校準 PTC。對于基于 PTC 的系統，這將使溫度測量在整個溫度范圍內比典型的（同樣指定的）基于 NTC 的系統更準確。

比例的

圖 5：比率法，由同一電源為電阻分壓器和 VREF供電

術語“比率”描述了捕獲的 ADC 值，它可以與電源電壓的變化成比例地變化。當供給溫度檢測電路的分壓器的V CC電源也供給用于V REF的電壓時，如圖5所示，它是比例的。V CC的任何變化都會在分壓器和 V REF處同時發生類似的變化，從而影響 ADC 的測量值，從而最大限度地減少這些源之間的潛在差分誤差。

比率方法可以提高系統的總準確度。在實施不使用平均或過采樣的基于熱敏電阻的溫度傳感器時，為分壓器和ADC的VREF使用相同的電壓源非常重要。

過濾

大多數情況下不需要在分壓器上使用電容器，并且在對單端 ADC 采用比率方法時不應使用該電容器。對于差分 V REF /ADC 輸入，您通常會在 ADC 輸入和 V REF輸入之間放置一個電容器。

使用比率法過濾 V temp會改變感應線上的電壓響應，但不會改變 ADC V REF。因此，添加一個濾波器會增加電阻分壓器的 V REF和 V CC輸入之間的差分誤差。

當不使用比率法時，在分壓器上增加電容可以過濾電壓，消除噪聲和電壓變化，否則會在測量中產生誤差。添加一個電容器對 V REF進行濾波也是一個好主意。有時 V REF是內部的，不需要額外的濾波。在 V temp線上添加一個電容器可以增加對溫度變化的響應時間。如果測得的溫度響應緩慢且不需要立即采取措施，則此過濾器可能會帶來好處。

另一種方法是在電阻分壓器頂部為 V CC添加一個電容器，以濾除系統中的噪聲以進行溫度測量。如果使用比率法，將相同的電容器添加到 V REF將使兩個電源的電壓變化保持一致。

緩沖器和放大器

放大器可以增加熱敏電阻的動態范圍。所有運算放大器都有潛在的失調誤差和增益誤差。選擇對精度和偏移影響最小的運算放大器需要一些努力。校正失調和增益誤差所需的校準可能比升級到更高質量的 ADC 成本更高。一些 MCU 具有內部運算放大器。許多 DS ADC 都為此目的（緩沖/增益）集成了 PGA。一些 SAR ADC 也具有這些特性。

有時使用單位增益緩沖器來防止電阻分壓器電路下降或負載。當 ADC 對熱敏電阻分壓器電路進行采樣時，來自 ADC 的浪涌電容會對測量造成幾毫伏的壓降。如果您在 ADC 中有足夠的分辨率，您將在溫度測量中將此視為錯誤。如果直接在 ADC 引腳上添加一個電容，等于 ADC 電容的 10 倍，則無需借助緩沖器即可補償 ADC 電容的浪涌電流。典型的 ADC 電容為 3 pF 至 20 pF。在盡可能靠近 ADC 引腳的位置添加一個 30 pF 至 200 pF 的電容器將對熱敏電阻的測量或熱響應的影響最小。

漂移

由于 PTC 熱敏電阻使用硅作為其基礎材料并具有線性斜率，因此，通過 PTC 的電流隨時間和溫度的漂移非常低。NTC 通常對所用材料的電阻具有溫度依賴性，該電阻會在高溫下隨時間而變化。NTC 有一個 beta 值，用于定義溫度范圍內的電阻溫度系數（以百萬分之幾 (ppm) 為單位），并且還會隨時間產生 ppm 漂移。

從 ADC 導出溫度

NTC 熱敏電阻溫度基于設備的電阻。許多設計人員使用查找表來查找特定溫度下的電阻，然后計算（通過線性插值）每個 1°C 溫度步長之間的實際溫度。為了盡量減小查找表的大小，可以使用 5°C 的查找表，但插值誤差會稍高一些。對于大多數設計人員來說，0.5°C 的分辨率已經綽綽有余，因此帶有插值的 5°C 表格最終就足夠了。

PTC 基于通過設備的實際電流，通常由公式定義。PTC 基于三階或四階多項式。四階多項式具有更精確的曲線擬合 (R 2 )，精度為 1.0000% 到 0.9999%，以提供溫度信息。Steinhart-Hart 方程使用具有自然對數的三階多項式來計算溫度。

更多設計師認可 Steinhart-Hart 方程，因為它最初是在多年前為 NTC 創建的。盡管您可以將方程用于 NTC 或 PTC，但如今大多數高精度 PTC 依賴于四階多項式。

校準

所有 NTC 和 PTC 都需要校準才能準確。一些 NTC 可提供更嚴格的公差和 beta 值，這似乎可以消除校準；然而，熱敏電阻并不是系統中唯一的組件。V Bias電阻器在溫度范圍內具有容差和 ppm；V CC有電壓誤差以及隨溫度變化的電壓偏移。總系統精度可能比預期的超出公差范圍，并且精度可能不是您想要的。

NTC 通常需要一個三點校準來調整斜率誤差和一個偏移來校正總誤差。三點校準需要溫度室和時間，以收集溫度范圍內的誤差。考慮到硅的工藝偏差，PTC 一開始就會有較大的偏移誤差，但它可以通過單次偏移調整在整個溫度范圍內進行校正。在大多數情況下，您可以在裝配的最終編程期間在室溫下進行偏移調整；您不需要溫度室，也不需要時間讓別人進行校準。

結論

NTC 和 PTC 都易于實施，元件數量少，成本低。然而，NTC 可能需要更昂貴的校準方法，并且隨著時間的推移會增加漂移。

PTC 提供了一種更好的方法來進行溫度測量。一個簡單的偏移校正是整個溫度范圍內唯一需要的校準。PTC 非常準確，溫度測量隨時間和溫度的漂移很小。

需要明確的是，NTC 和 PTC 不是同一類型的組件，而且很難（如果不是不公平的話）僅通過閱讀數據表進行直接比較。PTC 不是電阻元件，大多數供應商建議只使用恒流源來驅動它們。

德州儀器 (TI) 創建了一個可下載的設計工具，向您展示如何在電阻分壓器電路中使用其TMP61系列PTC 。該工具包括一個計算阻力表，供那些喜歡使用查找表的人使用。使用新的設計考慮和正確的計算方法可以實現比 NTC 更準確和更穩定的 PTC。

　　審核編輯：湯梓紅