胡邦南,劉 瓊

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，湖南長(zhǎng)沙 410208)

?

集成芯片式溫度傳感器MCP9700誤差補(bǔ)償方法

胡邦南,劉 瓊

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，湖南長(zhǎng)沙 410208)

集成芯片式(IC)溫度傳感器MCP9800存在非線性誤差，在高精度測(cè)溫系統(tǒng)中需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償。提出了一種基于多項(xiàng)式擬合的集成芯片式溫度傳感器誤差補(bǔ)償方法：首先介紹了該傳感器的測(cè)溫原理；然后根據(jù)誤差曲線低溫和高溫誤差不一致且具有拋物線形狀的特征，采用一階和二階誤差補(bǔ)償綜合的方式，推導(dǎo)了傳感器全量程的誤差補(bǔ)償公式。實(shí)驗(yàn)表明：這種補(bǔ)償方式補(bǔ)償效果好，實(shí)現(xiàn)容易，拓展了傳感器的測(cè)溫范圍。

IC溫度傳感器；多項(xiàng)式擬合；二階誤差

0 引言

集成芯片式(IC)溫度傳感器具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、體積小、電路接口方便、價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但這些傳感器在極端高溫和低溫時(shí)精度會(huì)呈非線性下降，并且一般情況下這種非線性具有拋物線形狀，因此在高精度的測(cè)溫系統(tǒng)中必須進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[1]采用硬件實(shí)現(xiàn)的兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償法，需要耗費(fèi)硬件成本，且效果不理想；文獻(xiàn)[2]采用插值法，需要測(cè)試很多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且補(bǔ)償效果一般；文獻(xiàn)[3]提出了數(shù)字溫度傳感器的一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，解決了測(cè)溫滯后性的問題，但沒有進(jìn)行測(cè)溫誤差補(bǔ)償；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于預(yù)測(cè)模型的溫度傳感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，改善了溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，減少了測(cè)溫滯后的時(shí)間，但同樣沒有進(jìn)行測(cè)溫誤差補(bǔ)償；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成-模糊加權(quán)輸出(RBFNNE-FWO)的數(shù)字溫度傳感器誤差補(bǔ)償方法，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。

本文根據(jù)IC溫度傳感器的測(cè)溫原理，推導(dǎo)出描述IC溫度傳感器典型非線性特性的公式，利用單片機(jī)軟件對(duì)公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到更精確的溫度讀數(shù)。

1 MCP9700測(cè)溫原理

IC溫度傳感器使用完全導(dǎo)通的PNP晶體管來檢測(cè)環(huán)境溫度，其基極-發(fā)射極的結(jié)間壓降具有與二極管相同的特性。這個(gè)結(jié)間壓降與溫度有關(guān)，可用來測(cè)量環(huán)境溫度。式(1)顯示了二極管正向電壓VF和環(huán)境溫度TA之間關(guān)系：

(1)

式中：K為波爾茲曼常數(shù),K=1.380 7×10-23J/K；q為電子的電荷量,q=1.602×10-19C；TA為環(huán)境溫度；IF為正向電流；IS為飽和電流。

IS是一個(gè)可變的常數(shù)，數(shù)值取決于晶體管的尺寸。恒定正向電流IF是用于偏置晶體管的，這樣TA成為唯一的可變量。因?yàn)镮S是會(huì)隨工藝和溫度的變化而顯著變化，僅靠一個(gè)晶體管測(cè)量溫度不可靠。

為了減少對(duì)于IS的依賴性，IC溫度傳感器采用兩個(gè)晶體管來測(cè)量溫度。若兩個(gè)二極管分別采用恒定正向電流IF1和IF2進(jìn)行偏置，同時(shí)兩個(gè)電流比例因子為N(IF2/IF1=N)，則正向電壓的差值(ΔVF)的推導(dǎo)過程如下：

ΔVF=VF2-VF1

(2)

(3)

ΔVF是一個(gè)不再依賴兩個(gè)二極管的飽和電流，而是與絕對(duì)溫度呈比例的電壓信號(hào)。其斜率為：(86 μV/℃)· ln(N)|N=10= 200 μV/℃。對(duì)于模擬輸出的IC溫度傳感器，將ΔVF放大后輸出，對(duì)數(shù)字式溫度傳感器，將ΔVF放大后連至模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出。

在一定的溫度范圍內(nèi)，ΔVF的精度取決于兩個(gè)傳感器上的IF和IS的匹配程度。在這兩個(gè)參數(shù)中，任何一個(gè)參數(shù)不匹配，都會(huì)導(dǎo)致溫度誤差成非線性。

2 測(cè)溫誤差的多項(xiàng)式擬合方法

2.1 MCP9700誤差特性曲線

在工作溫度范圍內(nèi)，IC溫度傳感器具有典型的誤差曲線。在高溫和低溫時(shí)，誤差幅度呈指數(shù)增加，從而形成了拋物線形狀的誤差曲線。測(cè)試了50支MCP9700個(gè)器件，圖1顯示了其平均值和±1 ℃標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)的傳感器精度曲線。

圖1 MCP9700精度曲線

2.2 線性擬合

由圖1看出，在-40～+125 ℃范圍內(nèi)，存在一階誤差斜率，或溫度誤差系數(shù)(EC1)。這個(gè)誤差系數(shù)可以采用終端擬合方式進(jìn)行計(jì)算,如式(4)：

(4)

式中：Thot為最高工作溫度；Tcold為最低工作溫度；ErrorT_hot為最高工作溫度時(shí)的誤差；ErrorT_cold為最低工作溫度時(shí)的誤差。

一旦計(jì)算出誤差斜率，就能確定在低溫時(shí)相應(yīng)的偏移量，進(jìn)而可調(diào)整低溫時(shí)的誤差，如式(5)所示：

ErrorT-1=EC1(TA-Tcold)+ErrorT_COLD

(5)

式中：ErrorT-1為一階溫度誤差；TA為測(cè)試點(diǎn)溫度。

顯然，圖1中Error-40取1.2，Error125取1.0，則EC1計(jì)算結(jié)果為-1.21×10-3。

2.3 多項(xiàng)式擬合

為了捕捉在圖1中的拋物線形精度誤差，需要計(jì)算二階項(xiàng)及其相應(yīng)系數(shù)。

在指定溫度TA處通過指定計(jì)算出二階誤差ErrorT_2等于TA處的已知誤差，從而計(jì)算得到式(6)中顯示的二階溫度誤差系數(shù)EC2。

ErrorT_2=EC2(Thot-TA)(TA-Tcold)+ErrorT_1

(6)

式中：ErrorT_2為二階溫度誤差；EC2為二階溫度誤差系數(shù)。

則通過變換式(6)而求解EC2，如式(7)所示：

(7)

例如，若取TA為+45 ℃，ErrorT_2等于+45 ℃ 時(shí)的溫度誤差-0.4 ℃，則得到EC2為-2.2×10-6℃-1。

式(7)顯示當(dāng)TA等于Thot或Tcold時(shí)，其二階項(xiàng)強(qiáng)制為零，因此在一 階誤差項(xiàng)中沒有增加任何誤差。這是因?yàn)樵赥hot和Tcold極端溫度處的誤差已經(jīng)包含在一 階誤差(ErrorT_1)中。式(8)為完整的可以用來補(bǔ)償傳感器誤差的2 階多項(xiàng)式。

ErrorT_2=EC2(Thot-TA)(TA-Tcold)+EC1(TA-Tcold)+ErrorT_cold

(8)

2.4 精度補(bǔ)償

在使用IC溫度傳感器時(shí)，可應(yīng)用下述多項(xiàng)式公式來補(bǔ)償傳感器誤差，如式(9)所示：

Tcomp=Tsen-ErrorT_2|TA=Tsen

(9)

比如，若MCP9700 溫度輸出Tsen= +65 ℃，則補(bǔ)償后的溫度Tcomp為

Tcomp=65 ℃-ErrorT_2|TA=65 ℃=65 ℃-(-0.316 ℃)=65.316 ℃

圖2顯示了得到補(bǔ)償后，MCP9700溫度傳感器的平均精度曲線。對(duì)于MCP9700，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，傳感器精度平均可提高到±0.05 ℃內(nèi)。

圖2 MCP9700 補(bǔ)償后典型誤差曲線

2.5 二階溫度系數(shù)EC2討論

上面公式中的二階溫度補(bǔ)償系數(shù)EC2是使用+45 ℃時(shí)的誤差推導(dǎo)得到的，該溫度點(diǎn)的補(bǔ)償特性可以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的要求。但是通過改變推導(dǎo)EC2的溫度點(diǎn)，可以在相對(duì)較窄的溫度范圍內(nèi)得到更高的精度。

可以看出，比較0 ℃和45 ℃時(shí)的EC2數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)在低溫時(shí)具有更高的精度。同樣采用高于45 ℃時(shí)推導(dǎo)的EC2數(shù)值，在高溫時(shí)具有更高的精度。但是精度誤差變化的幅度并沒有跟隨EC2數(shù)值的變化而發(fā)生顯著的變化。所以，采用45 ℃時(shí)的EC2數(shù)值可以得到相對(duì)實(shí)際的結(jié)果。

3 測(cè)試結(jié)果

將傳感器MCP9700置于恒溫槽，并且使用熱電阻Pt100來精確測(cè)量溫度，與傳感器輸出的溫度值進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 測(cè)量精度 ℃

表1顯示，使用公式補(bǔ)償后，傳感器精度極大提高了，且傳感器的測(cè)溫范圍得到了拓展。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)IC溫度傳感器具有拋物線形狀的非線性誤差曲線特征，構(gòu)建了基于二階多項(xiàng)式擬合的IC溫度傳感器誤差補(bǔ)償公式，利用這個(gè)公式來對(duì)傳感器輸出進(jìn)行補(bǔ)償。通過大量實(shí)驗(yàn)證明，采用這種方法補(bǔ)償后的IC溫度傳感器的非線性誤差大大減少，提高了測(cè)溫準(zhǔn)確度，這種補(bǔ)償也拓展了傳感器的溫度測(cè)量使用范圍；與其他方法相比，這種方法具有簡(jiǎn)便實(shí)用、性能最佳的特點(diǎn)。

[1] 蔣敏蘭，胡生清，幸國(guó)全.AD590溫度傳感器的非線性補(bǔ)償及應(yīng)用.傳感器技術(shù),2001,20(10):54-56.

[2] 凌振寶，朱凱光，段清明.數(shù)字式溫度傳感器MAX6575 的非線性補(bǔ)償設(shè)計(jì).吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2003,21(3):227-230.

[3] 林海軍，滕召勝，楊圣潔.數(shù)字溫度傳感器自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(1)：138-142.

[4] 程曉輝，郭松靈，趙洋.一種便攜式多通道精密測(cè)溫儀.航空計(jì)量技術(shù)，2000，20(5)：24-26.

[5] 林海軍,滕召勝,楊進(jìn)寶,等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成-模糊加權(quán)輸出的數(shù)字溫度傳感器誤差補(bǔ)償.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(7)：1675-1680.

Error Compensation for IC Temperature Sensor MCP9700

HU Bang-nan，LIU Qiong

(Hunan Industry Polytechnic,Changsha 410208，China)

Nonlinear error compensation for integrated circuit temperature sensor MCP9800 is necessary in high accurate temperature measurement system.An error compensation method based on nonstationary polynomial fitting(NPF)was proposed.Firstly,the principle for measuring temperature was introduced.Secondly,according to the error curves in low temperature and high temperature were different and had parabolic shapes,the error compensation formulas were derived by the composition compensation of 1st order error and 2nd order error.Experiment results show that the method has good effects and is easy to realize,thus expanding the temperature measurement range of sensor.

integrated circuit temperature sensor;nonstationary polynomial fitting;2nd order error

湖南省科技廳科技支撐計(jì)劃(2013GK3049)

2013-11-14 收修改稿日期：2014-12-02

TP212

A

1002-1841(2015)02-0094-02

胡邦南(1969—)，研究員級(jí)高工，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與嵌入式技術(shù)。E-mail：459475866@qq.com