Creare rapidamente un circuito di rilevamento della temperatura basato su un termistore di precisione

I sensori di temperatura sono fra quelli più utilizzati nel settore dell'elettronica, con applicazioni per la calibrazione, la sicurezza e gli impianti HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria). Malgrado la loro ampia diffusione, se si desiderano le massime prestazioni di precisione al minor costo possibile, i sensori di temperatura e la loro implementazione possono mettere in difficoltà i progettisti.

Esistono molti modi per rilevare la temperatura. Quelli più comuni si avvalgono di sensori di temperatura come termistori, termoresistenze (RTD), termocoppie o termometri a diodo al silicio. Tuttavia, individuare il sensore giusto è solo una piccola parte della soluzione. Infatti il sensore va poi collegato a una catena in grado di garantire l'integrità dei segnali, compensando anche accuratamente le specifiche caratteristiche di una data tecnologia di rilevamento per assicurare una rappresentazione digitale accurata della temperatura.

Questo articolo illustra la soluzione scelta per tale obiettivo: un circuito alimentato tramite USB. Per monitorare in modo accurato la temperatura, viene utilizzato un termistore con coefficiente di temperatura negativo (NTC) in combinazione con il microcontroller analogico di precisione ADuC7023BCPZ62I-R7 di Analog Devices.

Caratteristiche del termistore NTC

Un termistore è un resistore termosensibile disponibile in due tipologie: con coefficiente di temperatura positivo (PTC) e con coefficiente di temperatura negativo (NTC). Il termistore PTC in ceramica policristallina ha un PTC elevato e viene in genere utilizzato nelle applicazioni di commutazione. Il termistore a semiconduttore ceramico NTC ha un NTC con resistenza elevata che diminuisce con l'aumentare della temperatura. Tale caratteristica lo rende idoneo per una misurazione accurata della temperatura.

Il termistore NTC ha tre modalità di funzionamento: resistenza in funzione della temperatura, tensione in funzione della corrente e corrente nel corso del tempo. La modalità che sfrutta le caratteristiche di resistenza in funzione della temperatura del termistore fornisce i risultati più precisi.

I circuiti di resistenza in funzione della temperatura configurano il termistore in una condizione di "potenza zero". La condizione di "potenza zero" presuppone che l'eccitazione indotta da corrente o tensione del dispositivo non provochi l'autoriscaldamento del termistore.

In un tipico termistore NTC, come NCP18XM472J03RB di Murata Electronics - un dispositivo da 4,7 kΩ in un contenitore 0603 - la risposta della resistenza in funzione della temperatura è altamente non lineare (Figura 1).

Figura 1: La risposta della resistenza in funzione della temperatura di un tipico termistore NTC è altamente non lineare. Di conseguenza, i progettisti devono trovare un modo per tenere sotto controllo questa non linearità per un determinato intervallo di temperatura. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker, calcolata e disegnata sulla base dei valori di resistenza del prodotto Murata)

Il grafico nella Figura 1 mostra l'alto grado di non linearità dal termistore da 4,7 kΩ. La velocità con cui la resistenza di un termistore NTC diminuisce in funzione della temperatura è una costante nota come beta (β) (non mostrata nella Figura). Per il termistore da 4,7 kΩ di Murata, β = 3500.

La correzione della risposta non lineare del termistore può essere eseguita in un software con un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta risoluzione e un polinomio empirico di terzo ordine o una tabella di ricerca.

Esiste tuttavia una tecnica hardware comoda, più facile e meno costosa che, se applicata prima di raggiungere l'ADC, può permettere di tenere sotto controllo il problema della linearizzazione del termistore per un intervallo di temperatura di ±25 °C.

Soluzione di linearizzazione hardware

Un approccio semplice alla linearizzazione di primo livello dell'uscita del termistore consiste nel mettere il termistore in serie con un resistore standard (1%, film metallico) e una sorgente di tensione. Il valore del resistore in serie determina la mediana della regione lineare del circuito del termistore. Il valore della resistenza del termistore (R_TH) e l'equazione di Steinhart-Hart determinano la temperatura del termistore (Figura 2). È appurato che l'equazione di Steinhart-Hart è l'espressione matematica migliore per determinare la temperatura di un termistore NTC.

Figura 2: La configurazione di un divisore di tensione (R_TH e R₂₅) linearizza la risposta del termistore. L'intervallo lineare in ADC0 (sull'ingresso ADC) rientra in un intervallo di temperatura di circa 50 °C. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

La derivazione del valore reale della resistenza del termistore, R_TH, inizia definendo l'uscita del divisore di tensione (V_ADC0). V_ADC0 viene quindi utilizzato per trovare il codice decimale dell'uscita digitale dell'ADC, D_OUT, dove D_OUT dipende dal numero di bit dell'ADC (N), dalla tensione di ingresso max dell'ADC (V_REF) e dalla tensione di ingresso dell'ADC (V_ADC0). Il terzo e ultimo passo per trovare R_TH consiste nel moltiplicare R₂₅ (o il valore R_TH di 25 °C) per il rapporto fra il numero di codici dell'ADC e il codice decimale dell'uscita digitale dell'ADC. Il processo di calcolo di questo terzo passo inizia con l'Equazione 2 riportata sotto.

Il passo finale del calcolo è la conversione della resistenza del termistore in temperatura in unità Kelvin usando l'equazione di Steinhart-Hart ricordata sopra. Il microcontroller analogico di precisione ADuC7023 determina la temperatura del sensore utilizzando l'Equazione 4:

Equazione 4

Dove:

T₂ = Temperatura del termistore misurata (in unità Kelvin)

T₁ = 298 Kelvin (25 °C)

β = Parametro β del termistore a 298 Kelvin o 25 °C. β = 3500

R₂₅ = Resistenza del termistore a 298 Kelvin o 25 °C. R₂₅ = 4,7 kΩ

R_TH = Resistenza del termistore a una temperatura sconosciuta, come calcolato dall'Equazione 3

Nella Figura 2, la resistenza del termistore (R_TH) equivale a 4,7 kΩ a 25 °C. Dato che il valore di R₂₅ equivale al valore di 25 °C del termistore, la regione lineare del divisore di tensione è centrata attorno a 25 °C (Figura 3).

Figura 3: Risposta lineare di un termistore da 4,7 kΩ in serie con un resistore standard da 4,7 kΩ e 2,4 V sul divisore di tensione. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker, calcolata e disegnata sulla base dei valori di resistenza del prodotto Murata)

Nella Figura 3, il sistema del termistore in serie risponde linearmente alla temperatura su un intervallo limitato che va da circa 0 °C a +50 °C. In questo intervallo, l'errore di temperatura delta è di ±1 °C. Il valore del resistore di linearizzazione (R₂₅) dovrebbe essere uguale alla grandezza del termistore al centro dell'intervallo di temperatura di interesse.

Questo circuito acquisisce un livello di precisione di 12 bit su un intervallo di temperatura tipicamente di ±25 °C, con la temperatura nominale del termistore al valore R₂₅.

Monitor della temperatura basato su USB

Il percorso del segnale nella soluzione del circuito inizia con il termistore a basso costo da 4,7 kΩ, seguito dall'economico microcontroller ADuC7023 di Analog Devices. Il microcontroller integra quattro convertitori digitale/analogico (DAC) a 12 bit, un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 12 bit multicanale e un riferimento interno a 1,2 V, nonché un core ARM7^®, 126 kB di flash, 8 kB di memoria statica ad accesso casuale (SRAM) e varie periferiche digitali, come UART, timer, SPI e due interfacce I²C (Figura 4).

Figura 4: Il circuito di rilevamento della temperatura usa una connessione USB per l'alimentazione e l'interfaccia I²C del microcontroller ADuC7034 per le comunicazioni digitali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 4, l'alimentazione e la messa a terra del circuito provengono interamente dall'interfaccia USB a quattro fili. Il regolatore lineare a bassa caduta di tensione ADP3333ARMZ-5-R7 di Analog Devices usa l'alimentazione a 5 V dell'USB per generare un'uscita a 3,3 V. L'uscita regolata di ADP3333 fornisce la tensione DVDD di ADuC7023. L'alimentazione AVDD di ADuC7023 richiede un filtraggio aggiuntivo, come mostrato. Il regolatore lineare ha un filtro anche tra l'alimentazione USB e il pin IN.

Anche lo scambio dei dati della temperatura avviene tramite i pin dell'interfaccia D+ e D- dell'USB. ADuC7023 può usare il protocollo I²C per trasmettere e ricevere i dati. Il circuito di questa applicazione usa l'interfaccia a due fili I²C per trasmettere i dati e ricevere i comandi di configurazione.

Questa applicazione utilizza le seguenti funzionalità di ADuC7023:

• ADC SAR a 12 bit
• Un ARM7TDMI Arm con SRAM. Una flash integrata di 62 kB esegue il codice utente che configura e controlla l'ADC, gestisce le comunicazioni attraverso l'interfaccia USB ed elabora le conversioni ADC dal sensore del termistore.
• I terminali I²C sono l'interfaccia di comunicazione con il PC host.
• Due interruttori/pulsanti esterni (non mostrati in figura) forzano il componente nella sua modalità di avvio da flash: tenendo premuto il pulsante DOWNLOAD e commutando l'interruttore RESET, invece che nella normale modalità utente ADuC7023 entra in modalità di avvio. La flash interna può essere riprogrammata in modalità di avvio utilizzando l'interfaccia USB tramite lo strumento software I2CWSD associato al dispositivo.
• VREF è il riferimento di bandgap. Questo riferimento di tensione è disponibile per altri riferimenti del circuito nel sistema. Un condensatore di almeno 0,1 μF si collega a questi pin per la riduzione del rumore.

Dato che ADuC7023 è dotato di un contenitore CSP a 32 pin con un fattore di forma compatto (5×5 mm), l'intero circuito rientra in una sezione estremamente piccola di una scheda a circuiti stampati, con risparmi di costi e spazio.

ADuC7023 costituisce una soluzione a basso consumo anche se è dotato di un potente core ARM7 e di un ADC SAR ad alta velocità. L'intero circuito consuma in genere 11 mA, con il core ARM7 in esecuzione a 5 MHz e l'ADC primario che misura il termistore esterno. Per ridurre ulteriormente il consumo energetico, il microcontroller e/o l'ADC possono essere disattivati tra una misurazione di temperatura e l'altra.

Considerazioni sul layout

Il sistema di elaborazione dei segnali mostrato nella Figura 4 è sorprendentemente ingannevole. A colpo d'occhio, in effetti, contiene solo tre dispositivi attivi. Ma questa apparente semplicità nasconde alcune interessanti sfide di layout.

Ad esempio, il microcontroller ADuC7023 è un sistema analogico e digitale complesso che richiede un'attenzione speciale alle regole di messa a terra. Anche se può sembrare "lento" nel dominio analogico, il suo ADC track-and-hold integrato è un dispositivo multi-canale veloce che campiona a una velocità di 1 Msps, con una velocità di clock massima di 41,78 MHz. In questo sistema, i tempi di salita e discesa del clock sono di pochi nanosecondi. Queste velocità collocano l'applicazione nella categoria dell'alta velocità.

Ovviamente, i circuiti a segnale misto richiedono un'attenzione particolare. Ecco una lista di controllo in quattro punti che comprende gli aspetti chiave:

1. Uso di condensatori elettrolitici
2. Selezione del condensatore più piccolo
3. Considerazioni sul piano di massa
4. Piccole perle di ferrite, opzionali

Un grande condensatore elettrolitico viene in genere utilizzato con un valore compreso tra 10 e 100 mF, posto a non più di 5 cm di distanza dal chip. Questi condensatori fungono da serbatoi di carica per soddisfare le esigenze di carica istantanea che arrivano attraverso l'induttanza della traccia di alimentazione.

I condensatori più piccoli del circuito, che in genere vanno da 0,01 a 0,1 mF, sono posizionati fisicamente il più vicino possibile ai pin di alimentazione del dispositivo. Il loro compito è quello di inviare rapidamente a terra il rumore ad alta frequenza.

Il piano di massa, sotto i condensatori di disaccoppiamento, disaccoppia le correnti ad alta frequenza e riduce al minimo le emissioni EMI/RFI. Dovrebbe essere costituito da una grande area a bassa impedenza. Per ridurre al minimo l'induttanza, la connessione del condensatore a terra avviene attraverso un foro di via o una traccia corta.

Oltre ai condensatori di disaccoppiamento della Figura 4, la protezione EMI/RFI per il cavo USB richiede l'uso di ferrite. Le perline di ferrite in questo circuito sono BK2125HS102-T di Taiyo Yuden che hanno un'impedenza di 1000 Ω a 100 MHz.

Conclusione

I sensori di temperatura sono fra quelli più utilizzati, ma i requisiti di progettazione continuano a mettere a dura prova i progettisti impegnati a ridurre costi e dimensioni, migliorando al tempo stesso la precisione di rilevamento. Tenendo conto di queste considerazioni, questo articolo descrive l'implementazione di un sistema a termistore commerciale a basso consumo basato su USB che utilizza un piccolo ADC a 12 bit e un microcontroller ADuC7023 ad alta precisione di Analog Devices. La combinazione si avvale di un resistore per tenere sotto controllo un termistore NTC con un comportamento non lineare per rilevare e monitorare accuratamente la temperatura.