胡邦南,劉 瓊

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

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集成芯片式溫度傳感器MCP9700誤差補償方法

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，在高精度測溫系統(tǒng)中需要進行誤差補償。提出了一種基于多項式擬合的集成芯片式溫度傳感器誤差補償方法：首先介紹了該傳感器的測溫原理；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償綜合的方式，推導(dǎo)了傳感器全量程的誤差補償公式。實驗表明：這種補償方式補償效果好，實現(xiàn)容易，拓展了傳感器的測溫范圍。

IC溫度傳感器；多項式擬合；二階誤差

0 引言

集成芯片式(IC)溫度傳感器具有靈敏度高、準確度高、體積小、電路接口方便、價格低廉、使用簡單等優(yōu)點，但這些傳感器在極端高溫和低溫時精度會呈非線性下降，并且一般情況下這種非線性具有拋物線形狀，因此在高精度的測溫系統(tǒng)中必須進行誤差補償，以提高測量準確度。文獻[1]采用硬件實現(xiàn)的兩點溫度補償法，需要耗費硬件成本，且效果不理想；文獻[2]采用插值法，需要測試很多個點的數(shù)據(jù)，且補償效果一般；文獻[3]提出了數(shù)字溫度傳感器的一種自適應(yīng)動態(tài)補償方法，解決了測溫滯后性的問題，但沒有進行測溫誤差補償；文獻[4]提出了一種基于預(yù)測模型的溫度傳感器動態(tài)補償方法，改善了溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)特性，減少了測溫滯后的時間，但同樣沒有進行測溫誤差補償；文獻[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償方法，軟件設(shè)計復(fù)雜，實現(xiàn)難度大。

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

1 MCP9700測溫原理

IC溫度傳感器使用完全導(dǎo)通的PNP晶體管來檢測環(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。這個結(jié)間壓降與溫度有關(guān)，可用來測量環(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。因為IS是會隨工藝和溫度的變化而顯著變化，僅靠一個晶體管測量溫度不可靠。

為了減少對于IS的依賴性，IC溫度傳感器采用兩個晶體管來測量溫度。若兩個二極管分別采用恒定正向電流IF1和IF2進行偏置，同時兩個電流比例因子為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是一個不再依賴兩個二極管的飽和電流，而是與絕對溫度呈比例的電壓信號。其斜率為：(86 μV/℃)· ln(N)|N=10= 200 μV/℃。對于模擬輸出的IC溫度傳感器，將ΔVF放大后輸出，對數(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的精度取決于兩個傳感器上的IF和IS的匹配程度。在這兩個參數(shù)中，任何一個參數(shù)不匹配，都會導(dǎo)致溫度誤差成非線性。

2 測溫誤差的多項式擬合方法

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，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。測試了50支MCP9700個器件，圖1顯示了其平均值和±1 ℃標準方差時的傳感器精度曲線。

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)。這個誤差系數(shù)可以采用終端擬合方式進行計算,如式(4)：

(4)

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

一旦計算出誤差斜率，就能確定在低溫時相應(yīng)的偏移量，進而可調(diào)整低溫時的誤差，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為測試點溫度。

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

2.3 多項式擬合

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

在指定溫度TA處通過指定計算出二階誤差ErrorT_2等于TA處的已知誤差，從而計算得到式(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 ℃ 時的溫度誤差-0.4 ℃，則得到EC2為-2.2×10-6℃-1。

式(7)顯示當TA等于Thot或Tcold時，其二階項強制為零，因此在一 階誤差項中沒有增加任何誤差。這是因為在Thot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償傳感器誤差的2 階多項式。

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

(8)

2.4 精度補償

在使用IC溫度傳感器時，可應(yīng)用下述多項式公式來補償傳感器誤差，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顯示了得到補償后，MCP9700溫度傳感器的平均精度曲線。對于MCP9700，在整個工作溫度范圍內(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償系數(shù)EC2是使用+45 ℃時的誤差推導(dǎo)得到的，該溫度點的補償特性可以滿足絕大多數(shù)場合的要求。但是通過改變推導(dǎo)EC2的溫度點，可以在相對較窄的溫度范圍內(nèi)得到更高的精度。

可以看出，比較0 ℃和45 ℃時的EC2數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)在低溫時具有更高的精度。同樣采用高于45 ℃時推導(dǎo)的EC2數(shù)值，在高溫時具有更高的精度。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 ℃時的EC2數(shù)值可以得到相對實際的結(jié)果。

3 測試結(jié)果

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

表1 測量精度 ℃

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

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)建了基于二階多項式擬合的IC溫度傳感器誤差補償公式，利用這個公式來對傳感器輸出進行補償。通過大量實驗證明，采用這種方法補償后的IC溫度傳感器的非線性誤差大大減少，提高了測溫準確度，這種補償也拓展了傳感器的溫度測量使用范圍；與其他方法相比，這種方法具有簡便實用、性能最佳的特點。

[1] 蔣敏蘭，胡生清，幸國全.AD590溫度傳感器的非線性補償及應(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 的非線性補償設(shè)計.吉林大學(xué)學(xué)報,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)動態(tài)補償方法研究.儀器儀表學(xué)報，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溫儀.航空計量技術(shù)，2000，20(5)：24-26.

[5] 林海軍,滕召勝,楊進寶,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償.儀器儀表學(xué)報，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—)，研究員級高工，主要研究方向為智能檢測與嵌入式技術(shù)。E-mail：459475866@qq.com