使用LTspice輔助進(jìn)行數(shù)字式溫度檢測

作者 / Alain Stas 威世科技

　　Alain Stas，Vishay(威世科技)非線性電阻器產(chǎn)品營銷工程師。擁有Université libre de Bruxelles(ULB)物理學(xué)系土木工程專業(yè)碩士學(xué)位，專業(yè)領(lǐng)域是固態(tài)電子。

摘要：在開始構(gòu)建數(shù)字溫度檢測電路之前，需要考慮溫度范圍和最高精度等問題。本文以25℃~150℃ 的溫度范圍、總體精度± 2℃為例，介紹了用LTspice實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。

1 仿真搭建

　　在開始構(gòu)建數(shù)字溫度檢測電路之前，您必須考慮到設(shè)計的純機械方面(本文未涉及)和電熱方面。因此，有幾個重要問題需要考慮：溫度范圍是多少?想達(dá)到多高的精確度?使用哪種溫度檢測設(shè)備?傳感器電氣特征的容差是多少? 模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用中涉及的所有其他無源組件的值和容差是多少?

　　前兩個問題非常關(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(biāo)為±2℃。對于這個溫度范圍和精度，很難在高度敏感但非線性的熱敏電阻和線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。

　　上面提到的每個問題都可以由不同的產(chǎn)品專家進(jìn)行全面的回答，但是所有這些要點有哪些綜合影響呢?總體原則是：精度總是由系統(tǒng)的限制因素決定。如果您還沒有發(fā)現(xiàn)這個限制因素，將一個或幾個剩余參數(shù)的容差縮小到零附近不會大大改善您的結(jié)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(shè)備，您可能會傾向于使用非常精確的熱敏電阻，這種設(shè)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受到質(zhì)疑。您還可以選擇A類鉑金傳感器(0℃時±0.15℃)，溫度函數(shù)具有線性變化。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，我們可以提出這樣的問題：一旦您確定了上述特征，是否有一種廉價的方法來全面查看達(dá)到的精度?您可以根據(jù)自己的經(jīng)驗做出猜測，選擇傳感器、容差、A/D轉(zhuǎn)換器比特率和其他硬件，然后快速構(gòu)建虛擬測試平臺并執(zhí)行模擬，從而查看可能獲得的結(jié)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。

　　您可能會問：“LTspice?真的嗎?”模擬計算軟件如何能夠真實地反映數(shù)字應(yīng)用?

　　那么，我們的數(shù)字傳感應(yīng)用有哪些不同的組件呢?首先是溫度傳感器。無論是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(shù)的形式顯示。微處理器根據(jù)給定的公式計算基于該位數(shù)的溫度。

　　如圖1所示，這些操作都可以通過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版本不會有太大的不同)。圖2再現(xiàn)了電路的直接瞬態(tài)模擬，顯示了應(yīng)用的溫度曲線(V1是表面溫度)、傳感器的響應(yīng)(帶有延遲和梯度)以及信號的數(shù)字化。圖2的下部窗格顯示了不同時間的讀出溫度偏差(比特率= 10保持低水平，采樣時間長達(dá)200 ms以顯示數(shù)字化)。

　　傳感器 (Vishay 10 kΩ NTCALUG) 和固定電阻當(dāng)然沒有問題：LTspice將真實地模擬它們的特性(包括容差)。采樣和保持器件是LTspice庫中的標(biāo)準(zhǔn)組件。信號的數(shù)字化以及從位計數(shù)到溫度的轉(zhuǎn)換均通過模擬行為建模電壓源完成。有趣的是，ADC的比特率n現(xiàn)在是一個模擬參數(shù)，可以從8到24進(jìn)行掃描。采樣和保持設(shè)備的采樣時間Ton也是一個參數(shù)。

　　我們要處理的第一個參數(shù)是10 ms的采樣時間。然后，我們將通過在8和24之間進(jìn)行n掃描來確定最佳比特率。通過計算誤差函數(shù)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(shù)n > 16，沒有顯著的誤差減小。

　　我們還可以優(yōu)化串聯(lián)電阻R1(作為溫度變化曲線的函數(shù))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(shù)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(jù)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(jié)合，而且我們實現(xiàn)了從25℃±0.4℃到100℃±1.5℃的增長。仿真根據(jù)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，中間的白色曲線是標(biāo)稱值)。

　　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(zhàn)，因為我們不能確定所有制造商都能保證B25 / 85可實現(xiàn)± 0.25 %。

　　對于B25 / 85系數(shù)，遇到的更常見容差是±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(zhí)行相同的仿真，我們可以得到 圖6中的結(jié)果，其中明確顯示了高溫下非最佳設(shè)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(shù)字溫度應(yīng)用中所選的元素，相對簡單的仿真電路使我們能夠查看在實際電路期望達(dá)到的整體精度，這是準(zhǔn)備實驗的理想方式。

2 結(jié)論

　　SPICE仿真永遠(yuǎn)不會取代工程師的天賦和本能，但它可以提高實際實驗的效率。它可以讓人員騰出時間，從而降低最終成本，同時也為您的工作帶來一點樂趣。誰不喜歡呢?

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