简介
本应用笔记将讨论温度测量的两种设计，设计均使用精密的、负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）热敏电阻。热敏电阻放置在电阻型分压器中，以便线性化从温度至电压的转换。在转换到数字域进行处理之前，电压由 MCP6SX2（MCP6S22或MCP6S92）可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）在模拟域进行处理。
第一个设计要简单一些，温度范围稍小。第二个设计将改变 PGA 的增益，以便获得更宽的温度范围。这两个设计均使用分段线性插值表来校正残留的非线性，并把电压信号转换为摄氏温度。本文还将讨论两种方法之间的设计权衡。
设计电路都很好地利用了 MCP6SX2 的输入多路开关（MUX）。PGA 用来处理多个信号和 /或温度，并为每一个输入数字式地设定最恰当的增益。这将降低设计的总体复杂度，使得对其他传感器所测温度进行校正成为可能。
热敏电阻
本应用笔记中使用的热敏电阻来自 BC Components®，部件编号是2322 640 55103， 见图1和图2。  选择该部件的原因在于其精度和成本。热敏电阻的温度是 TTH，电路其余部分处在环境温度 TA 下。
关键的的参数规格包括[1， 2]：
(1) +25℃的电阻：10 kΩ ± 1%
(2) B25/85 容许误差：±0.75%
(2) 工作温度范围：-40℃ 至+125℃（短时间内能到+150℃）
(3) 最大功率
100mW，TTH = 0℃ 至+55℃
在TTH = -40℃ 和+85℃ 时，功率衰减100%
(4) 热耗散系数：2.2mW/℃
(5) 响应时间：1.7s（在油中）
在本应用中，也可以使用性价比不同的热敏电阻。对电路进行修改以便匹配期望精度还是比较简单的。
电路
稍后所述的两种设计，均使用图3所示的电路。电路在MCP6SX2 PGA Thermistor PICtailTM Demo Board（MCP6SX2 PGA热敏电阻PICtail TM演示板）上实现，见参考文献 [12]。
电阻RA使得电压－温度响应是相当线性的。RB和CB降低了噪声，用作ADC的抗混叠滤波器。MCP6SX2PGA（MCP6S22 [5]或MCP6S92 [6]）对电压VDIV 进行缓冲。可以数字式地控制 PGA 来改变其增益或通道（输入）。
PIC16F684 [8] 在信号分析PICtailTM 子板上，见参考文献 [11]。它有一个内部 10 位 ADC，可把 VOUT 转换成数字信号。它还能对 VOUT 进行进一步的处理 （例如，求平均），并能把VOUT 转换为温度。PIC16F684 通过SPI串行总线与PGA进行通讯。
ADC 的参考电压和分压器，由同一个电压供电，构成比例电路； VDD 中的误差将在 ADC 中被自动校正。
第一个设计
设计强调简单性，使用标准的方法来设计热敏电阻电路。使用一块 PGA 来代替传统的运放，从而允许在多个输入之间进行切换。
模拟设计
为了设计简单起见，第一个设计把PGA的增益保持在+1V/V。为了获得室温下最佳性能，电阻RA置为其+25℃ 时的标称值（10.0 kΩ）；这是非常常见的设计选择。尽管这是一个更加简单的设计，但其精度相对较低，这一点在下文中将进行说明。注意，图 4 给出的响应，要比 图 1响应的线性度好很多。
设计中可以把+125℃和+150℃之间的温度考虑在内，其目的是在过温时给出指示，此时精度并不那么重要。
热敏电阻的功耗将导致自热温度误差。计算温度范围内热敏电阻的功耗，然后再除以规定的2.2mW/℃ 热耗散系数，得到如图5 所示的自热温度误差。这是小而一致的误差。使用固件中的分段线性插值表，对自热温度误差进行校正是很简单的。
模拟误差分析
图 6 显示的是 ADC 的温度分辨率，而图 7 显示的是预计最坏情形下模拟电路的误差。这两个图都基于下列假设：
(1) ADC的 DC 误差≤±3.5 LSb
(2) PGA的增益误差 ≤±0.1% （G = +1）
(3) PGA的输入失调误差≤±1mV（包括PSRR和温度漂移）
(4) 规定的热敏电阻精度
在 -25℃ 至 +73℃ 的温度范围内，此设计能够获得0.25℃的 ADC温度分辨率。在同样的温度范围内， 模拟电路精度要好于 1.2℃。其他温度范围将有不同的分辨率和精度。
数字设计
PIC16F684 单片机 [11， 12] 处理若干重要任务。它与PGA通信， 设置PGA的输入通道；它能对测量信号取平均值从而降低噪声，然后使用分段线性插值表把结果转换为热敏电阻上的温度。有些单片机有内置的SPI端口，也可以在所有单片机上用软件来实现SPI接口[7]。
流程图
图8的流程图给出了第一个设计的程序流程。固件在“00028 - MCP6SX2 PGA Thermistor PICtail Demo Board”目录下00897 Source Code.zip文件中。固件使用可重定位的汇编代码编写。main.asm 控制总的程序流程。 PGA例程在pga.inc 和 pga.asm 中。热敏电阻例程在Therm_PGA1.inc和Therm_PGA1.asm中。
信号分析PC程序命令PIC16F684固件进行实时采样。固件读取 ADC 的值，然后把值传递给分段线性插值（PwLI）例程。PwLI例程把10位ADC值转换为16位定点十进制的摄氏温度值。定点十进制格式给出的摄氏温度以十分之一度为单位。以十分之一度为单位进行分段线性插值，给出的摄氏温度分辨率更高。最后，16位摄氏温度值传送给信号分析 PC 程序，显示在实时柱状图上。
在第一个设计中，设计人员可以选择显示带十分位小数的温度，也可对温度小数进行四舍五入取整。
分段线性插值表
设计使用分段线性插值表[9]，把ADC输出编码转换为估计温度。ADC编码分成64段，每段16个编码。插值表中的编码，是段与段之间的端点（分界点）。表1所示是为第一个设计选择的端点。 
表 1  插值表端点
增益
(V/V) ADC编码(LSb) TTH
(℃) RTH
(Ω) VOUT
（V）
1 1008 -49.4 630k 4.922
 16 156.1 159 0.078

热敏电阻规定温度范围（-40℃至+150℃）之外的RTH值，制造商没有给出，只能进行估计。表1中已经包含了热敏电阻的自热误差校正。
表中在-40℃ 至 +150℃ 温度范围之外的项，是为了确保在读数溢出时分段线性插值表也能正常使用。在插值算法中，表中位于有效范围之外的值，将用最接近的有效值来代替。这意味着，当ADC 编码 >1008 时，表将返回 -49.3℃ 的值。当 ADC 编码 <16 时，表的返回值将是156.1℃。
数字误差分析
图9 给出了插值表的估计插值误差。在温度靠近极限值时，本设计的 ADC 分辨率比较差。在 -25℃ 至 +73℃的温度范围内，分段线性插值表的精度是 0.05℃。在-40℃ 至 +150℃的温度范围内，精度下降到1.0℃。
数字圆滑误差大致与 ADC 温度分辨率曲线的包络线成正比（见图6）。如果圆滑误差比 ADC 分辨率小很多的话，误差几乎没有什么影响。
总的数字误差包括分段线性插值误差和圆滑误差。
第二个设计
设计强调的是精度和分辨率。它利用 PGA 的变增益能力，改变增益，从而克服第一个设计的局限。如果需要的话， PGA还可以在多个输入间进行切换。
模拟设计
第二个设计改变了PGA的增益，从+1至+8再至+32 V/V。 电阻RA被设置为28.0 kΩ，从而在低温时电压－温度响应相当程度上是线性的，见图10（与图 4 比较）。温度较高时， 响应曲线几乎是水平的，从而要增大PGA的增益，进行补偿。尽管该设计要复杂一些，但其分辨率和精度要比第一个设计高。
设计中可以把+125℃和+150℃之间的温度考虑在内，目的是在过温时给出指示，此时精度并不那么重要。
热敏电阻的功耗将导致自热温度误差。计算温度范围内热敏电阻的功耗，然后再除以规定的2.2mW/℃ 热耗散系数，得到如图 11 所示的自热温度误差。这是小而一致的误差。使用固件中的分段线性插值表，对自热温度误差进行校正是很简单的。
PGA增益
在较高温度时，VDIV 对温度的灵敏度较低 （图 10）。设计时是有意这么做的，这样当温度增加时可以把PGA的增益设置得更高 （图 12）
选择增益改变点，以合理的成本尽可能地提高 ADC 的分辨率 （见图 13）。为了使固件中分段线性插值表最小，增益的数目应该比较小。
每个范围中允许的最大电压要比 VDD 低 300mV。这将使 PGA 在其规定输出范围之内，同时也为噪声留下了一些裕量。允许的最小电压与地电压之差要远远大于300mV，这将使PGA 工作在其线性度最佳的区域。
随机噪声可能将使得PGA增益的改变较为频繁。给 （固件中的）增益选择算法添加迟滞将减轻这一问题。迟滞应该足够大，以便补偿 PGA 的最大增益误差（±1%）。
图 12 和表 2 所示分别是较低温度和较高温度变化时1.7℃和 2.0℃ 的迟滞。  增益改变点之间的电压距离是VDIV 的 6%，是 PGA 最大增益误差的七倍，这将确保增益改变算法能够正常工作。表 2 中已经对热敏电阻的自热误差进行了校正。
表 2  带迟滞的 PGA 增益改变点
增益
(V/V) 增益改变(V/V) ADC编码(LSb) VDIV
(V) TTH
(℃)
1 1→8 <113 0.552 50.9
8 8→1 >960 0.586 49.2
 8→32 <226 0.138 94.6
32 32→8 >960 0.146 92.6

模拟误差分析
图 13 显示的是 ADC 的温度分辨率，图 14 显示的是预计最坏情况下模拟电路的误差。这两个图都基于下列假设：
(1) ADC的 DC 误差≤±3.5 LSb；
(2) PGA 的增益误差≤±1%（G = +1时是 ±0.1%）；
(3) PGA的输入失调误差≤±1mV（包括PSRR和温度漂移）；
(4) 规定的热敏电阻精度。
在 -40℃ 至 +150℃ 的温度范围内，此设计能够获得0.27℃ 的 ADC 温度分辨率。在同样的温度范围内，模拟电路精度要好于 3.0℃。其他温度范围将有不同的分辨率和精度。
数字设计
PIC16F684 单片机 [11， 12] 处理若干重要任务。它与PGA通信，设置PGA的增益和输入通道；它能对测量信号取平均值从而降低噪声，然后使用分段线性插值表把结果转换为热敏电阻上的温度。有些单片机有内置的SPI端口，也可以在所有单片机上用软件来实现SPI接口[7]。
流程图
第二个设计的流程图如图 15 所示。它与第一个设计的程序非常相似，区别是它增加了 PGA 迟滞例程。固件在 00897 Source Code.zip文件中。固件使用可重定位的汇编代码编写。main.asm 文件控制总的程序流程。 PGA例程在pga.inc 和 pga.asm 中。热敏电阻例程在 Therm_PGA2.inc和Therm_PGA2.asm 中。
信号分析PC程序命令PIC16F684固件进行实时采样。固件读取 ADC 的值，然后把值传递给 PGA 迟滞例程。图16给出了 PGA迟滞例程的细节。例程将检查设定的PGA 增益是多少 （变量PGAgain）。根据PGAgain，ADC值与端点（分界点）值进行比较。如果ADC值在分界点的值之外，就把 PGAgain 置为最接近的高或低增益设定值。在退出PGA迟滞例程之前，固件检查PGA-gain是否改变。如果没有改变（返回0） ，程序继续执行。如果有改变（返回1） ，固件将重新读取 ADC 值。
一旦知道了PGA增益和ADC 的值，这两个值就会被传递给分段线性插值例程。根据 PGA 的增益设定，查阅正确的查找表。PwLI 例程把 10 位 ADC 值转换为 16位定点十进制的摄氏温度值。定点十进制格式给出的摄氏温度以十分之一度为单位。以十分之一度为单位进行分段线性插值，给出的摄氏温度分辨率更高。最后，16位摄氏温度值被传送给信号分析 PC 程序，显示在实时柱状图上。
在最后的设计中，设计人员可以选择显示带十分位小数的温度，也可对温度小数进行四舍五入取整。
分段线性插值表
三个增益中的任何一个都要使用分段线性插值表[9]，把ADC 输出编码转换为估计温度。在每个插值表中，ADC编码分成 64段，每段 16个编码。插值表中仅有段与段之间端点的 ADC 编码。对于这三张插值表，每张表中极限有效值如表 3 所示。
表 3  插值表端点
增益
(V/V) ADC编码(LSb) TTH
(℃) RTH
(Ω) VOUT
（V）
1 960 -43.5 420k 4.688
 112 51.2 3.44k 0.547
8 960 49.2 3.72k 4.688
 224 94.9 787 1.094
32 960 92.6 845 4.688
 208 150.9 179 1.016

热敏电阻规定温度范围（-40℃至 +150℃）之外的 TTH和 RTH 值，制造商没有给出，只能进行估计。表 3 中已经包含了热敏电阻的自热误差校正。
表中在 -40℃ 至+150℃ 温度范围之外的项，是为了确保在读数溢出时分段线性插值表也能正常使用。在插值算法中，表中位于有效范围之外的值，将用最接近的有效值来代替。这意味着，当 G=1 且 ADC 编码 >960时，表将返回 -43.5℃的值。当 G=32 且 ADC 编码<208 时，表的返回值是150.9℃ 的值。
表 3 中其他在端点之外的项（例如，靠近增益改变点）是零，因为迟滞算法将阻止对它们的读取。这种方法已经用在可读性控制中。
数字误差分析
图 17给出了插值表的估计插值误差。改变PGA的增益将能够充分利用ADC的分辨率。  在-40℃至+150℃的温度范围内，该分段线性插值表的精度是 0.034℃。提高的 ADC 温度分辨率，使得本设计的分段线性插值表的性能要比第一个设计的好很多。
数字圆滑误差大致与ADC温度分辨率曲线的包络线成正比（见图13）。如果圆滑误差比ADC分辨率小很多的话，误差几乎没有什么影响。
总的数字误差包括分段线性插值误差和圆滑误差。
设计比较
图18所示是热敏电阻的规定精度。对于前述两个设计，它导致的误差是相同的。
图19比较了第一、第二个设计之间的 ADC 温度分辨率。第二个设计更好，因为改变 PGA 的增益有助于提高ADC的温度分辨率。
图 20 比较了两个设计之间的模拟电路误差。在温度较高时，第二个设计的误差更好，因为 ADC 的温度分辨率更好。第二个设计的误差在较低温度时也更好，因为RA 的选择能够使较低温度时从温度到电压的转换呈线性。
数字分段线性插值误差的比较见图21。第二个设计的性能要好很多，因为线性插值表中的分段覆盖了更小的温度变化。
图 22 比较了第一、第二个设计的总误差（热敏电阻加电路加分段线性插值误差）。为简单起见，没有考虑数字圆滑误差。
两个设计之间的折衷权衡，概括在表4 中。
表 4  折衷权衡
判据 第一个设计 第二个设计
温度范围 中 高
温度精度 低 高
增益改变时的不连续性 — ±0.3℃
固件大小 低 中

测量结果
在基准平台上对两个设计进行测量。使用 MCP6SX2PGA热敏电阻PICtailTM演示板上的可变电阻Rvar来仿真热敏电阻，请参阅文献 [12]。根据电阻的标称值，把ADC输出转换为估计的热敏电阻温度。 图23 所示是第一个设计的测量误差，  图24是第二个设计的测量误差。
注意，高温时，为了获得相距 5℃ 的数据点，需要给Rvar 串联一个电阻。
图23和图24都与设计结果吻合；第二个设计的性能要好得多。 Rvar 中容差为 1% 的电阻给出的误差大致与热敏电阻误差相同。
然后，使用设计 # 2，用热敏电阻测量室温。结果是：ADC 编码 281，增益 +1，对应的温度是 23.7℃（74.7 °F）。
其他设计选择
本应用笔记的参考文献中，给出了关于其他设计途径的信息。 AN685 [3]讨论了使用热敏电阻的更传统的应用电路。 AN867 [4] 给出了另一种使用 PGA 的热敏电阻电路，可供选择；电路的灵活性更大，但增加了设计成本和复杂性。 AN990 [13]对传感器进行了综述。
以下小节讨论如何对本应用笔记的设计进行修改。
增加精度
为了获得更佳的精度，模拟元件需要更加精密。12 位ADC（例如，MCP3201）将增加分辨率。允许误差为0.1% 的电阻 RA 将减少电路误差。
对热敏电阻进行校准[1， 2]，将消除大部分由它引起的过程变化。对电路进行校准，可能也会带来好处。但这将增加固件的复杂程度以及单片机上的执行时间，除非校正已经包含在线性插值表中。
分段线性插值表可能需要更多的项，尤其是对于第一个设计。计算要求的精度更高，但这将导致更慢的处理时间。
其他增益
第二个设计可以使用其他增益来完成。增大增益的缺点是需要更多的分段线性插值表，这将增大固件的大小。
增加一个在 +1 和+8 之间的增益，将提升 ADC 的分辨率。增益精度的下降（从 G=+1 时的 0.1% 下降到G≥+2时的1%） 降低了总的精度，尤其是增益为+2时。如何折衷取决于具体的设计。
增加一个在 +8 和 +32 之间的增益，能够同时提升更高温度下的精度和ADC 分辨率。增益取+16 就很好。
去掉+32 的增益，对于温度范围缩小（比如，+125℃）的设计，可能比较有吸引力 。一种折衷的办法是把增益从+32 改变至+16，而不是去掉 +32的增益。
当增益都使用同一个乘法器相互关联时，迟滞算法还能简化。当 G=1、2、4、 8、 16 以及 32 时，乘数为2。当G=1、4 和16 时，乘数是 4。增益的增加都发生在某一个 ADC 编码处，增益的下降也都发生在另一个ADC编码处。于是，迟滞算法只需要把ADC编码与两个编码值进行比较，根据比较结果改变增益。
更多输入通道
如果需要在超过两个输入（包括其他温度传感器）间进行多路切换并送入 ADC 的话，可考虑提供更多通道的6通道MCP6S26和8通道MCP6S28 PGA。 热敏电阻的输入可以用来校正其他传感器信号，诸如湿度传感器等。
运放缓冲器
如图3所示的MCP6SX2 PGA， 可以用单位增益缓冲器来替代；Microchip的MCP6001运放就是不错的选择。
这样做在简单性和成本方面均有好处，但缺点是不能在多个输入信号间进行切换，也不能通过改变 PGA 的增益来提高ADC 的温度分辨率。
远程热敏电阻考虑事项
如果热敏电阻与 PGA 相距较远（例如，不在同一块PCB上），那么可能需要改变设计。可能的考虑事项包括：
(1) 屏蔽传感器信号拾取线
(2) EMI滤波和保护
(3) 线路电阻电压降
(4) 热敏电阻地和PCB 地之间不匹配
总结
本文给出了两个不同的电路设计，电路设计均使用MCP6SX2 PGA和精密的NTC热敏电阻。两个设计对简单性、精度和温度范围进行了折衷与权衡。
第一个设计的实现更为容易，但温度范围较小。可以使它更精确，或者覆盖更宽的温度范围，但要使用更昂贵的元件，需要更多的模拟设计工作。
尽管第二个设计的固件占用的固件空间更大，但模拟设计却是非常合理的。它利用了PGA的灵活性和数字控制，降低了模拟误差，提高了温度分辨率。
MCP6SX2 PGA的输入MUX和数字控制增益，显著地提升了这些电路的效用。一片 PGA 就能处理多个传感器和 / 或输入信号，这降低了元件数量。对其他传感器进行温度校正也变得更加容易。在这种情况下， NTC 热敏电阻电路的边际成本是合理的。
参考文献
[1] “2322 640 5... : NTC thermistors， accuracy line”，产品数据手册，BC Components®，2001年9月27日（www.bccomponents.com）。
[2] “Introduction to NTCs: NTC Thermistors”，数据手册，BC Components®，2001年3月27日（www.bccomponents.com）。
[3] AN685，“Thermistors in Single-Supply Temperature Sensing Circuits”，Bonnie C.Baker；Microchip Technology Inc.，DS00685，1999年。
[4] AN867，“Temperature Sensing with a Program-mable Gain Amplifier”，Bonnie C. Baker ；Microchip Technology Inc.，DS00867，2003年。
[5] MCP6S21/2/6/8数据手册， 《单端轨到轨I/O低增益 PGA》，Microchip Technology Inc.，DS21117A_CN，2003年。
[6] MCP6S91/2/3数据手册，《单端轨到轨输入/输出低增益 PGA》，Microchip Technology Inc.，DS21908，2004年。
[7] AN248，“Interfacing MCP6S2X PGAs to PICmicro® Microcontroller”，Ezana Haile；Microchip Technology Inc.， DS00248，2003年。
[8] PIC16F684数据手册，《采用纳瓦技术的14引脚8位CMOS闪存单片机》，Microchip Technology Inc.，DS41202E_CN，2004年。
[9] AN942，“Piecewise Linear Interpolation on PIC12/14/16 Series Microcontrollers”，John Day 和 Steven Bible ； Microchip Technology Inc.， 2004年。
[10]“PICkit™ 1 Flash Starter Kit User's Guide”，Microchip Technology Inc.，DS40051，2004年。[11] “Signal Analysis PICtail™ Daughter Board User's Guide”，Microchip Technology Inc.，DS51476，2004年。
[12]“MCP6S2X PGA Thermistor PICtail™ Demo Board User's Guide”，Microchip Technology Inc.，DS51517，2006年。
[13]AN990，《模拟传感器的调理电路概述》，Kumen Blake，Microchip Technology， Inc.，2005 年。