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如何补偿冷热极端温度传感器的精度

Ezana Haile 2019-04-10

模拟和串行输出IC温度传感器在室温下可能是准确的,但在极端或极端温度下,精度会非线性地降低。通常,该非线性具有抛物线形状,这意味着可以导出方程来描述传感器的典型非线性特性。反过来,这可以用于确定在指定的工作温度范围内传感器精度误差的补偿。Q8F电子头条

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硅表征数据可用于确定非线性传感器特性。根据这些数据,可以导出描述传感器典型性能的等式。当确定方程的相应系数时,系数可用于计算典型传感器非线性的补偿。Q8F电子头条

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在这种情况下,共有100个器件用作Microchip MCP9700和MCP9701模拟输出温度传感器的代表,160个器件用于MCP9800串行输出温度传感器。Q8F电子头条

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图1显示了补偿前后的典型传感器精度。它表明补偿在传感器工作温度范围内提供准确和线性的温度读数。PIC单片机用于计算公式并补偿传感器输出以提供线性温度读数。Q8F电子头条

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图1:补偿前后的典型传感器精度 Q8F电子头条

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准确性和理论Q8F电子头条

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在工作温度范围内的典型传感器精度具有精度误差曲线。在热和冷的温度下,误差的大小呈指数增加,导致抛物线形的误差曲线。Q8F电子头条

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由于传感器在极端温度下的非线性,因此扩大了精度规格限制。可以补偿在极端温度下降低的精度,以在整个工作温度范围内提高传感器精度。Q8F电子头条

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温度传感器使用完全导通的PNP晶体管来检测环境温度。基极 - 发射极结上的电压降具有二极管的特性。结点下降与温度有关,用于测量环境温度。Q8F电子头条

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使用恒定的正向电流来偏置二极管,这使得环境温度成为等式中唯一变化的变量。但是,饱和电流随工艺和温度的变化很大。这种变化使得无法使用单个晶体管可靠地测量环境温度。Q8F电子头条

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为了减少对饱和电流的依赖性,使用了两个二极管。如果两个二极管都以IF1和IF2的恒定正向电流偏置,并且电流的比值为N(IF2 / IF1 = N),则正向电压之差(ΔVF)与二者的饱和电流无关。二极管; ΔVF也称为与绝对温度成比例的电压(VPTAT)。Q8F电子头条

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VPTAT提供线性电压变化。电压可以放大用于模拟输出传感器,也可以连接到用于数字传感器的模拟 - 数字转换器。Q8F电子头条

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VPTAT在指定温度范围内的精度取决于两个传感器的正向电流和饱和电流的匹配。这些变量中的任何不匹配都会导致温度测量不准确。不匹配会导致温度误差或非线性。可以使用二阶多项式方程来描述非线性。Q8F电子头条

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精度表征数据用于导出描述传感器误差的二阶方程。该等式可用于通过补偿传感器误差来改善典型的传感器精度。Q8F电子头条

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在冷热温度下,精度误差幅度不同。在-55到+125˚C之间存在一阶误差斜率或温度误差系数。可以使用端点拟合方法来计算误差系数。Q8F电子头条

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一旦计算出误差斜率,就可以通过调整冷温度下的误差来确定相应的偏移。Q8F电子头条

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为了捕获极端温度之间的抛物线形精度误差,必须计算二阶项和相应的系数。Q8F电子头条

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通过指定环境温度来求解二阶温度误差系数,其中计算的二阶误差等于环境温度下的已知误差。当环境温度等于热或极端时,二阶项强制为零,而没有错误添加到一阶误差项。这是因为在极端温度和冷温度下的误差包含在一阶误差中。Q8F电子头条

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结果Q8F电子头条

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所有测试设备的平均传感器精度和二阶误差补偿表明,平均而言,MCP9800的工作温度范围内的传感器精度可以提高到±0.2˚C,MCP9700和MCP9701的传感器精度可以提高到±0.05˚C。Q8F电子头条

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在补偿中,二阶温度系数变量在+25˚C下评估。对于大多数应用,此温度下的补偿特性是足够的。然而,改变评估变量的温度在较窄的温度范围内提供相对较高的精度。例如,图2显示了在0,+ 25和+90˚C下评估的MCP9700。Q8F电子头条

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图2:具有变化的二阶温度系数变量的MCP9700平均精度Q8F电子头条

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在0和+25˚C进行比较时,在寒冷而不是高温下精度会更高。但是,对于高于+25˚C的温度,在高温而不是低温下精度会更高。然而,各种值之间的精度误差差异的幅度并不显着。因此,在+25˚C下进行评估可提供实际结果。Q8F电子头条

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在单一温度下校准各个IC传感器可为高性能嵌入式系统应用提供卓越的精度。如果MCP9700在+25˚C下校准并且实现了二阶误差补偿,则典型传感器精度在工作温度范围内变为±0.5˚C。Q8F电子头条

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补偿Q8F电子头条

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PIC MCU可以为嵌入式温度监控系统实现二阶精度误差补偿。该方程在16位核心MCU中相对容易实现,因为内置的数学函数很容易获得。但是,12位和14位内核需要固件实现某些数学函数,例如16位加,减,乘和除。图3显示了固件流程图。Q8F电子头条

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图3:固件流程图Q8F电子头条

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MCP9800和MCP9700演示板(分别为MCP9800DM-PCTL和MCP9700DM-PCTL)用于评估补偿固件。将恒温空气流直接施加到温度传感器上。使用热电偶测量气流温度并比较传感器输出。Q8F电子头条

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测试结果显示使用补偿固件程序实现的精度提高。在高温和低温下,精度分别提高约1至2˚C。Q8F电子头条

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结论Q8F电子头条

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温度传感器的非线性精度特性可以补偿更高精度的嵌入式系统。非线性精度曲线具有抛物线形状,使用二阶多项式方程描述。确定等式后,它用于补偿传感器输出。平均而言,在工作温度范围内,所有测试设备使用补偿的精度提高为±2˚C。 Q8F电子头条

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补偿还改善了极端温度和冷温度下的宽温度精度规格限制。PIC MCU可以计算公式并使用固件补偿传感器输出。Q8F电子头条