使用LTspice輔助進(jìn)行數字式溫度檢測

作者 / Alain Stas 威世科技

　　Alain Stas，Vishay(威世科技)非線(xiàn)性電阻器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。擁有Université libre de Bruxelles(ULB)物理學(xué)系土木工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域是固態(tài)電子。

摘要：在開(kāi)始構建數字溫度檢測電路之前，需要考慮溫度范圍和最高精度等問(wèn)題。本文以25℃~150℃ 的溫度范圍、總體精度± 2℃為例，介紹了用LTspice實(shí)現這一目標的方法。

1 仿真搭建

　　在開(kāi)始構建數字溫度檢測電路之前，您必須考慮到設計的純機械方面(本文未涉及)和電熱方面。因此，有幾個(gè)重要問(wèn)題需要考慮：溫度范圍是多少?想達到多高的精確度?使用哪種溫度檢測設備?傳感器電氣特征的容差是多少? 模數轉換器的最小比特率是多少?需要多高的傳感器信號采樣率?應用中涉及的所有其他無(wú)源組件的值和容差是多少?

　　前兩個(gè)問(wèn)題非常關(guān)鍵，因為其答案將決定以下步驟。在本文中，我們將使用25℃ 至150℃ 的溫度范圍，其總體精度目標為±2℃。對于這個(gè)溫度范圍和精度，很難在高度敏感但非線(xiàn)性的熱敏電阻和線(xiàn)性但缺乏敏感性的電阻溫度檢測器 (RTD) 之間做出選擇，例如鉑傳感器。

　　上面提到的每個(gè)問(wèn)題都可以由不同的產(chǎn)品專(zhuān)家進(jìn)行全面的回答，但是所有這些要點(diǎn)有哪些綜合影響呢?總體原則是：精度總是由系統的限制因素決定。如果您還沒(méi)有發(fā)現這個(gè)限制因素，將一個(gè)或幾個(gè)剩余參數的容差縮小到零附近不會(huì )大大改善您的結果;這種方法將最終證明費用昂貴，而且效率很低。

　　如果有商用的高精度設備，您可能會(huì )傾向于使用非常精確的熱敏電阻，這種設備的精確度可做到± 0.2 ℃。然而，如果您使用低成本的8位ADC，這就沒(méi)什么意義;如果您的傳感器的精度一般，則將位級從8提高到24所需成本是否值得投入會(huì )受到質(zhì)疑。您還可以選擇A類(lèi)鉑金傳感器(0℃時(shí)±0.15℃)，溫度函數具有線(xiàn)性變化。然而，信號變化將小于熱敏電阻的信號變化;它需要被放大，因此需要更多的硬件和更高的容差。

　　考慮到這一點(diǎn)，我們可以提出這樣的問(wèn)題：一旦您確定了上述特征，是否有一種廉價(jià)的方法來(lái)全面查看達到的精度?您可以根據自己的經(jīng)驗做出猜測，選擇傳感器、容差、A/D轉換器比特率和其他硬件，然后快速構建虛擬測試平臺并執行模擬，從而查看可能獲得的結果。如果這種方法既快又便宜，而且您不需要使用大量方程式進(jìn)行計算，這肯定是您夢(mèng)寐以求的。

　　ADI公司的免費軟件LTspice模擬程序就是為這一目的而提供的。

　　您可能會(huì )問(wèn)：“LTspice?真的嗎?”模擬計算軟件如何能夠真實(shí)地反映數字應用?

　　那么，我們的數字傳感應用有哪些不同的組件呢?首先是溫度傳感器。無(wú)論是NTC熱敏電阻還是鉑RTD，我們都可以輕松找到這些器件的SPICE模型。然后，在熱敏電阻和固定電阻之間有一個(gè)低壓電源分壓器。在可能的放大和濾波之后，我們將該電壓饋送到采樣和保持裝置，而該裝置的輸出隨后以位計數的形式顯示。微處理器根據給定的公式計算基于該位數的溫度。

　　如圖1所示，這些操作都可以通過(guò)LTspice輕松進(jìn)行仿真(在這里，我們選擇了一款基于熱敏電阻的電路，但RTD版本不會(huì )有太大的不同)。圖2再現了電路的直接瞬態(tài)模擬，顯示了應用的溫度曲線(xiàn)(V1是表面溫度)、傳感器的響應(帶有延遲和梯度)以及信號的數字化。圖2的下部窗格顯示了不同時(shí)間的讀出溫度偏差(比特率= 10保持低水平，采樣時(shí)間長(cháng)達200 ms以顯示數字化)。

　　傳感器 (Vishay 10 kΩ NTCALUG) 和固定電阻當然沒(méi)有問(wèn)題：LTspice將真實(shí)地模擬它們的特性(包括容差)。采樣和保持器件是LTspice庫中的標準組件。信號的數字化以及從位計數到溫度的轉換均通過(guò)模擬行為建模電壓源完成。有趣的是，ADC的比特率n現在是一個(gè)模擬參數，可以從8到24進(jìn)行掃描。采樣和保持設備的采樣時(shí)間Ton也是一個(gè)參數。

　　我們要處理的第一個(gè)參數是10 ms的采樣時(shí)間。然后，我們將通過(guò)在8和24之間進(jìn)行n掃描來(lái)確定最佳比特率。通過(guò)計算誤差函數作為讀出溫度和NTCALUG溫度之間的RMS值，我們在圖3中看到，對于要采用的位數n > 16，沒(méi)有顯著(zhù)的誤差減小。

　　我們還可以?xún)?yōu)化串聯(lián)電阻R1(作為溫度變化曲線(xiàn)的函數)的值。在圖4中，串聯(lián)電阻Rs值在3 kΩ和7 kΩ之間掃描，誤差函數最小值為4.7 kΩ。

　　下一步是選擇熱敏電阻和固定電阻R1的容差，并根據這些容差進(jìn)行最差情況分析。三種情況如下(圖4至6)。在圖4中，B25 / 85容差為±0.5%的dR25 / R25 =±1 % NTC與0.5 % TNPW電阻器相結合，而且我們實(shí)現了從25℃±0.4℃到100℃±1.5℃的增長(cháng)。仿真根據最壞情況而進(jìn)行(NTC和固定電阻R1的容差為R25和B25 / 85，因此有23 = 8種情況，中間的白色曲線(xiàn)是標稱(chēng)值)。

　　我們看到，不同的電平是平均分布的，因此我們選擇的相對容差合理。在圖5中，我們看到，如果將所有容差除以2(R25時(shí)的熱敏電阻=0.5%，B25 / 85的熱敏電阻=0.25%，固定電阻的熱敏電阻=0.25%)，我們可以進(jìn)一步將溫度的不確定性除以2。這對能力水平提出了挑戰，因為我們不能確定所有制造商都能保證B25 / 85可實(shí)現± 0.25 %。

　　對于B25 / 85系數，遇到的更常見(jiàn)容差是±1.5 %(舉例)。如果我們使用與圖5中相同的值(即dR25 = 0.5%，固定dR = 0.25%，兩者都非常低，但對B值的容差為±1.5%)執行相同的仿真，我們可以得到 圖6中的結果，其中明確顯示了高溫下非最佳設計的情況。最壞情況分析的不同層次也顯然分布不均。

　　因此，我們看到，對于數字溫度應用中所選的元素，相對簡(jiǎn)單的仿真電路使我們能夠查看在實(shí)際電路期望達到的整體精度，這是準備實(shí)驗的理想方式。

2 結論

　　SPICE仿真永遠不會(huì )取代工程師的天賦和本能，但它可以提高實(shí)際實(shí)驗的效率。它可以讓人員騰出時(shí)間，從而降低最終成本，同時(shí)也為您的工作帶來(lái)一點(diǎn)樂(lè )趣。誰(shuí)不喜歡呢?

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第24頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。