基于鉑電阻的惠斯通電橋溫度傳感器的應(yīng)用研究,大學(xué)論文

基于鉑電阻的惠斯通電橋溫度傳感器的應(yīng)用研究,大學(xué)論文內(nèi)容摘要：溫度傳感器應(yīng)用非常廣泛，從工業(yè)生產(chǎn)溫度監(jiān)控到生活家電溫度監(jiān)測(cè)處處存在?；阢K電阻的惠斯通電橋溫度傳感器因其可測(cè)范圍寬而被廣泛應(yīng)用。由于集成電路系統(tǒng)功能越來越豐富，對(duì)于溫度傳感器的讀出電路假如輸出數(shù)字表征量，系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單讀取即可得到被測(cè)物品或者環(huán)境的溫度，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文利用開關(guān)電容放大器，將惠斯通電橋溫度傳感器輸出的弱電壓信號(hào)放大，然后經(jīng)過SigmaDeltaADC和數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過I2C輸出16bit的精到準(zhǔn)確表征溫度的數(shù)字信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)先采用Matlab建模，得到sigmadeltaADC的系數(shù)，然后采用SMIC0.18m工藝實(shí)現(xiàn)詳細(xì)電路，芯片供電電源3.3V。仿真結(jié)果表示清楚，輸出的數(shù)字信號(hào)能精到準(zhǔn)確地表征絕對(duì)溫度值。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：惠斯通電橋;鉑電阻;溫度傳感器;開關(guān)電容放大器;SigmaDeltaADC;Abstract：Temperaturesensorsarewidelyused,rangingfromindustrialproductiontemperaturemonitoringtohouseholdappliancestemperaturemonitoring.Wheatstonebridgetemperaturesensorbasedonplatinumresistanceiswidelyusedbecauseofitswidemeasuringrange.Asthefunctionofintegratedcircuitsystemismoreandmoreabundant,ifthereadoutcircuitoftemperaturesensoroutputsdigitalsignal,thesystemcansimplyreadthetemperatureoftheobjectorenvironmenttobemeasured,whichgreatlysimplifiesthesystemdesign.Inthispaper,aswitchedcapacitoramplifierisusedtoamplifytheweakvoltagesignalfromWheatstonebridgetemperaturesensor,andthenconvertedintodigitalsignalthroughsigmadeltaADCanddigitalfilter.Finally,a16bitdigitalizedtemperaturesignalisoutputbyI2C.Inthedesign,MATLABisusedtofinishthesystemdesignandgetthecoefficientofsigmadeltaADC.ThentherealcircuitbasedonSMIC0.18umtechnologyisrealizedwithcadencesoftware.Thereadoutcircuitadopts3.3Vpowersupply.Thesimulationresultsshowthattheoutputdigitalsignalcanaccuratelycharacterizetheabsolutetemperaturevalue.引言鉑電阻溫度傳感器〔RTD〕是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)本身電阻值也隨之改變的特性來測(cè)量溫度，RTD是最精到準(zhǔn)確和最穩(wěn)定的溫度傳感器，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是最慢和最貴的溫度傳感器。因而RTD最合適對(duì)精度有嚴(yán)格要求，而速度和價(jià)格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。鉑電阻溫度傳感器具有極佳的可互換性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于氣象和環(huán)保等部門。但是由于鉑電阻溫度傳感器輸出電阻較大，而且其靈敏度約0.24%/℃。本文根據(jù)系統(tǒng)需要，目的溫度測(cè)量范圍-40～120℃，設(shè)計(jì)一款高阻輸入、數(shù)字化輸出的讀出電路，主要包括能有效接收溫度傳感器的輸出的微弱電壓的高阻輸入放大器，放大其幅度以便知足后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路〔ADC〕的輸入范圍，然后又ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過標(biāo)準(zhǔn)接口I2C輸出給系統(tǒng)。該讀出電路的關(guān)鍵參數(shù)包括放大器的高阻輸入、等效輸入噪聲、輸入失調(diào)、增益誤差以及整體芯片輸出絕對(duì)精度[1]等。1溫度傳感器讀出電路設(shè)計(jì)1.1讀出電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于惠斯通電橋的溫度傳感器系統(tǒng)框圖如此圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括基于鉑電阻的惠斯通電橋傳感器和溫度傳感器讀出電路。溫度傳感器讀出電路主要由SCAMP[2]、ADC、Filter、I2C、Bandgap和OSC組成。SCAMP將傳感器輸出的較小的模擬電壓放大到ADC的滿幅輸入范圍，這樣有助于最大程度的利用ADC的動(dòng)態(tài)范圍。ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后通過I2C輸出。OSC為整個(gè)電路提供時(shí)鐘，Bandgap為模擬提供偏置。圖1惠斯通電橋溫度傳感器系統(tǒng)框圖電橋R1=3.5k，Rt為鉑電阻，阻值500，其溫度系數(shù)0.24%/℃。R0取Rt一樣的電阻值，但是其溫度系數(shù)應(yīng)該至少比Rpt小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在-40～120℃范圍內(nèi)，VRP-VRN取3.3V，電橋的輸出差分幅度137.6039mV，故電橋的溫度靈敏度0.86mV/℃。電路設(shè)計(jì)采用SMIC0.18m混合信號(hào)工藝，模擬電源3.3V。考慮給運(yùn)放輸出級(jí)一定的裕量，SCAMP的增益設(shè)計(jì)為16倍。應(yīng)用要求溫度分辨率0.1℃，那么需要一個(gè)14bit的ADC。由于溫度的變化是一個(gè)低頻信號(hào)，而且ADC的位數(shù)需要14bit，設(shè)計(jì)中采用基于過采樣和噪聲整形的SigmaDeltaModulator(SDM〕來實(shí)現(xiàn)ADC。SigmaDeltaADC相比于NquistADC對(duì)模擬設(shè)計(jì)的要求降低。SDM的輸出需要一個(gè)數(shù)字濾波器來濾除帶外噪聲，同時(shí)將SDM輸出的1bit數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為16bit的數(shù)字輸出，最后通過I2C輸出。用戶能夠通過I2C方便地讀取代表溫度的數(shù)字值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是采用比例測(cè)量法，即電橋的驅(qū)動(dòng)電壓VRP和VRN和后面的ADC采用同樣一對(duì)電壓，通過分析推導(dǎo)可知，VRP-VRN的變化對(duì)ADC的輸出無影響，這樣大大降低讀出電路對(duì)外部供電的精度要求。2讀出電路的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)2.1SCAMP設(shè)計(jì)SCAMP的功能是接收傳感器的輸出模擬電壓，然后轉(zhuǎn)換到后續(xù)的ADC的滿幅輸入范圍。由于惠斯通電橋的輸出電阻較大，大約500。SCAmp的輸入電阻就要求時(shí)高阻輸入，這里采用基于開關(guān)電容的放大器來實(shí)現(xiàn)高阻輸入。由于電橋輸出的溫度靈敏度為0.86mV/℃，而應(yīng)用要求分辨率0.1℃，那么SCAmp的等效輸入噪聲應(yīng)該做到86V下面。由于溫度測(cè)量是考慮絕對(duì)溫度，所以SCAmp的offset也應(yīng)該足夠小。offset和noise的總和不能超過86V。對(duì)于offset能夠作為低頻的noise處理。常見減少低頻噪聲和offset的技術(shù)有Chopper、Autozero和CDS相關(guān)雙采樣，各技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用Chopper和Autozero結(jié)合的方式方法來降低低頻Noise和offset。開關(guān)電容放大器SCAmp由運(yùn)算放大器、開關(guān)和電容組成，輔以logic1～logic3組合的時(shí)序控制，完成chopper和autozero功能，大大減小運(yùn)放的失調(diào)電壓，同時(shí)該電路對(duì)電容的失配不敏感，減小了整個(gè)SCAmp的增益誤差。Vip和Vin為差分輸入端，接收來自惠斯通電橋的差分信號(hào)，放大后的Vop和Von接到sigmadeltaADC。采用全差分構(gòu)架，有利于抑制共模噪聲，提高抗干擾能力。2.2ADC設(shè)計(jì)為了將SCAmp輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用SigmaDeltaModulator(SDM)[3,4,5]來實(shí)現(xiàn)。由于SCAmp提供16X的固定增益，SDM的等效輸入噪聲折算到惠斯通電橋的輸出，要除以16，故SDM的噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)減輕了很多。本設(shè)計(jì)采用CIFF構(gòu)架的SDM實(shí)現(xiàn)。為了知足系統(tǒng)溫度讀出電路響應(yīng)時(shí)間要求，SDM的過采樣頻率選擇400kHz。先采用Matlab建模，Matlab模型如此圖3所示。通過Matlab建模得到各個(gè)系數(shù)，C1=1/5,C2=1/4,a1=1,a2=3/4。系數(shù)的求解考慮了電源電壓變化、運(yùn)放的輸出電壓擺幅等因素。完成建模擬真后，采用SMIC0.18m工藝提供的器件搭建電路，如此圖4所示，然后通過Spectre仿真驗(yàn)證其實(shí)際電路性能。SDM采用Chopper來降低低頻噪聲和失調(diào)電壓。由于第二級(jí)的噪聲和offset會(huì)被噪聲傳遞函數(shù)一階整形，所以只需要在第一級(jí)采用chopper即可。SDM的開關(guān)控制信號(hào)采用典型的非重疊時(shí)鐘信號(hào)，choper的時(shí)鐘采用過采樣時(shí)鐘的1/20，合理地控制兩個(gè)時(shí)鐘，能夠減少chopper切換對(duì)SDM性能的影響。3驗(yàn)證結(jié)果3.1SigmaDeltaADC信噪比驗(yàn)證本設(shè)計(jì)采用頻域方式方法來評(píng)估所設(shè)計(jì)的ADC的性能[6]，通過對(duì)實(shí)際電路做瞬態(tài)仿真，對(duì)輸出1bit的數(shù)字信號(hào)做FFT分析，得到信噪比。在對(duì)輸出信號(hào)做FFT分析時(shí)，通過增加輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)來提高頻譜分析的分辨率，當(dāng)點(diǎn)數(shù)無限大時(shí)，任何頻率的信號(hào)都能分辨出來，同時(shí)可以以減小頻譜泄漏。同時(shí)，借助窗函數(shù)，將頻譜泄漏限制在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。圖32階SDM模型圖4SDM的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)由于溫度信號(hào)的帶寬非常低，在幾十Hz范圍內(nèi)。后續(xù)的濾波器采樣率設(shè)置在1kHz，那么信號(hào)帶寬為500Hz。過采樣頻率fs=400kHz，正弦輸入信號(hào)的頻率fin=18.31Hz，取N=65536個(gè)點(diǎn)做FFT分析，F(xiàn)FT結(jié)果表示清楚，SNR到達(dá)108dB，折算為ENOB約18bit，完全知足系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的14bit需求。FFT輸出頻譜圖如此圖5所示。圖5SigmaDeltaADC輸出FFT3.2整體芯片驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)用針對(duì)的是-40～120℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，采用整個(gè)芯片的疆域數(shù)據(jù)后仿，將溫度設(shè)為變量，用Cadence的ADEXL仿真，共仿161個(gè)點(diǎn)。將表征溫度的數(shù)字量再根據(jù)公式折算回溫度，并與變量值做差值，能夠得到每個(gè)溫度點(diǎn)下的測(cè)量誤差，結(jié)果如此圖6所示。可見在高低溫的兩頭，誤差相對(duì)大一些，但是也沒有超過0.1℃。4結(jié)論本文基于鉑電阻的惠斯通電橋溫度傳感器輸出信號(hào)的特性，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字輸出的讀出電路。運(yùn)用開關(guān)電容放大器采樣放大溫度傳感器的模擬輸出，然后利用SigmaDeltaADC和數(shù)字濾波器將其轉(zhuǎn)換為16bit的數(shù)字信號(hào)，用戶能夠通過I2C直接讀取表征溫度信號(hào)的數(shù)字量得到測(cè)試對(duì)象的溫度，使用簡(jiǎn)單，集成度高。圖6全溫范圍內(nèi)溫度誤差以下為參考文獻(xiàn)[1]KamranSouriandKofiA.A.Makinwa,Energy-EfficientSmartTemperatureSensorsinCMOSTechnology,SpringerInternationalPublishingAG,2021.[2]Razavi,Behzad,DesignofanalogCMOSintegratedcircuits,2ndedition,McGraw-HillEducation,2021.[3]S.R.Norsworthy,R.SchrierandG.C.Temes.DeltasigmaDataConverters:Theory,DesignandSimulation.N.Y:IEEEPress,1997.[4]RichardG.Lyons,UnderstandingDigitalSignalProcessingSecondEditionChinaMachinePress2005.1.[5]ShanthiPavan,RichardSch