设计目标

设计说明

某些 MSP430™ 微控制器 (MCU) 包含可配置的集成信号链元件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益级。这些组件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的不同类型以及如何利用其可配置模拟信号链功能的信息，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。要开始设计，请下载 MSP430 温度检测 NTC 电路代码示例和 SPICE 仿真文件。

此温度检测电路将电阻与负温度系数（NTC）热敏电阻串联构成分压电路，从而产生与温度变化呈线性关系的输出电压。此电路将同相放大器配置中的 MSP430FR2311 SAC_L1 运算放大器与反相参考配合使用来对信号进行偏置和放大，从而帮助充分利用 ADC 分辨率并提高测量精度。（注意：MSP430FR2355 具有四个 SAC_L3 外设，每个外设均包含一个内置 DAC 和 PGA，为生成 Vref 和测量热敏电阻电路提供了单芯片解决方案。）集成式 SAC 运算放大器的输出可以直接通过片内 ADC 采样或通过片内比较器进行监测，以在 MCU 内部进行进一步处理。

设计说明

• 连接电压 Vin 是负温度系数热敏电阻的输出电压。要测量 PTC 热敏电阻的输出电压，请调换 R₁ 和该热敏电阻的位置。
• V_ref 可以使用 MSP430FR2355 中集成的 SAC_L3 DAC 之一或电阻分压器生成。如果使用电阻分压器，则电阻分压器的等效电阻将影响电路的增益。
• 使用高电阻值电阻器会减小放大器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。建议使用电阻值约为 10kΩ 或更低的电阻。
• 如果使用 MSP430FR2311 来实现该解决方案，则将 SAC_L1 运算放大器配置为通用模式以测量热敏电阻电路。
• 如果使用 MSP430FR2355 来实现该解决方案，则需要将其中一个 SAC_L3 外设配置为 DAC 模式，用于生成基准电压，然后将另一个配置为通用模式，用于测量热敏电阻电路的输出电压。

设计步骤

1. 计算 R₁ 的值以生成线性输出电压。根据 NTC 热敏电阻的最小值和最大值来获取 R₁ 的一系列值。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\_\max }={\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\mathrm{ }@25\mathrm{℃}}=\text{2.252 }\mathrm{k\Omega }, {\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\_\min }={\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\mathrm{ }@50\mathrm{℃}}=819.7\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_1=\sqrt{{\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\mathrm{ }@25\mathrm{℃}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC}\mathrm{ }@50\mathrm{℃}}}=\sqrt{\text{2.252 }\mathrm{k\Omega }\times 819.7\mathrm{\Omega }}=\text{1.359 }\mathrm{k\Omega } \approx 1.36\mathrm{k\Omega }$
2. 计算输入电压范围。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}={\mathrm{V}}_{cc}\times \frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC\_max}}+{\mathrm{R}}_1}=\text{3.3 }\mathrm{V}\times \frac{\text{1.36 }\mathrm{k\Omega }}{\text{2.252 }\mathrm{k\Omega }+\text{1.36 }\mathrm{k\Omega }}=\text{1.2418 }\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}={\mathrm{V}}_{cc}\times \frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{NTC\_min}}+{\mathrm{R}}_1}=\text{3.3 }\mathrm{V}\times \frac{\text{1.36 }\mathrm{k\Omega }}{\text{819.7 }\mathrm{\Omega }+\text{1.36 }\mathrm{k\Omega }}=\text{2.0582 }\mathrm{V}$
3. 计算所需增益以生成最大输出摆幅。
   ${\mathrm{G}}_{\mathrm{ideal}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{outMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}}=\frac{\text{3.1 }\mathrm{V}-\text{0.2 }\mathrm{V}}{\text{2.0582 }\mathrm{V}-\text{1.2418 }\mathrm{V}}=\text{3.5519 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 选择 R₂ 并计算 R₃ 以设置3 中的增益。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}$
   ${\mathrm{R}}_2=\text{1 }\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
   ${\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_2\times \left({\mathrm{G}}_{\mathrm{ideal}}-\text{1}\right)=\text{1 }\mathrm{k\Omega }\times \left(\text{3.5519}\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-\text{1}\right)=2.5519\mathrm{k\Omega }$
   $\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_3=\text{2.55 }\mathrm{k\Omega }$
5. 根据 R₂ 和 R₃ 的标准值计算实际增益。
   ${\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}=\frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}=\frac{\text{1 }\mathrm{k\Omega }+\text{2.55 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}=\text{3.55 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
6. 根据实际增益计算输出电压摆幅。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_swing}}=\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}\right)\times {\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}=\left(\text{2.0582 }\mathrm{V}-\text{1.2418 }\mathrm{V}\right)\times \text{3.55 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=2.9\mathrm{V}$
7. 计算输出电压绕中位电压对称时的最大输出电压。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{mid}-\mathrm{supply}}+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_swing}}}{2}=\frac{{\mathrm{V}}_{cc}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}}{2}+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_swing}}}{2}=\frac{\text{3.3 }\mathrm{V}-\text{0 }\mathrm{V}}{2}+\frac{\text{2.9 }\mathrm{V}}{2}=\text{3.1} \mathrm{V}$
8. 计算出参考电压。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}\times {\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}-\frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
   $\text{3.1 }\mathrm{V}=\text{2.0582 }\mathrm{V}\times \text{3.55 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-\frac{\text{2.55 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=\frac{\text{2.0582 }\mathrm{V}\times \text{3.55 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-\text{3.1 }\mathrm{V}}{\frac{\text{2.55 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}}=\text{1.65 }\mathrm{V}$

设计仿真

直流转换结果

交流仿真结果

目标应用

• 现场温度变送器
• 恒温器
• 温度计
• 热敏电阻探针
• 系统温度监控器

参考资料

德州仪器 (TI)，MSP430 MCU 智能模拟组合培训，视频

德州仪器 (TI)，MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型，软件支持

德州仪器 (TI)，MSP430 温度检测 NTC 电路代码示例和 SPICE 仿真文件，SLAC793 设计资源

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

低噪声、远距离 PIR 传感器调节器电路	桥式放大器电路	跨阻放大器电路
单电源、低侧、单向电流检测电路	带有分立式差分放大器的高侧电流检测电路	低侧双向电流检测电路
半波整流器电路	通过 NTC 热敏电阻电路检测温度	通过 PTC 热敏电阻电路检测温度