设计目标

设计 说明

某些 MSP430™微控制器 (MCU) 包含可配置的信号链集成元件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益放大器（PGA）。这些元件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的类型以及如何配置，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。要开始设计，请下载温度检测 PTC 电路设计文件。

此温度检测电路将电阻与正温度系数（PTC）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。MSP430FR2311 中的SAC_L1配置成同向放大器，同时利用反向参考电压提供偏置，从而提高测量精度。（注：MSP430FR2355 具有 四个 SAC_L3 外设，每个外设均包含一个内置的 DAC 和 PGA，可直接生成Vref，为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

• V_in 是正温度系数（PTC）热敏电阻的输出电压。要测量负温系数 (NTC) 热敏电阻的输出电压，请调换 R₁ 和 PTC 电阻的位置。
• Vref 可以由 MSP430FR2355 集成在SAC_L3中的 DAC 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会影响电路的增益。
• 使用高阻值电阻可能会减小放大器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。建议使用电阻值为 10kΩ 左右或更低的电阻。
• 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OPA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OPA模式，用于测量热敏电阻电路的输出电压。

设计步骤

Equation 1. ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}}+{\mathrm{R}}_1}\times \frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}-\frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
1. 计算 R₁ 的值以生成线性输出电压。使用PTC 热敏电阻的最小值和最大值来计算 R₁ 。
Equation 2. $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Max}}={\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}\mathrm{ }@50\mathrm{℃}}=\text{11.611 }\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Min}}={\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}\mathrm{ }@0\mathrm{℃}}=\text{8.525 }\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_1=\sqrt{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}\mathrm{ }@0\mathrm{℃}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC}\mathrm{ }@50\mathrm{℃}}}=\sqrt{\text{8.525 }\mathrm{k\Omega }\times \text{11.611 }\mathrm{k}}\mathrm{\Omega }=\text{9.95 }\mathrm{k\Omega }\approx \text{10 }\mathrm{k\Omega } \end{gathered}$$
2. 计算输入电压范围。
Equation 3. $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Min}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Min}}+{\mathrm{R}}_1}=\text{3.3 }\mathrm{V}\times \frac{\text{8.525 }\mathrm{k\Omega }}{\text{8.525 }\mathrm{k\Omega }+\text{10 }\mathrm{k\Omega }}=\text{1.519 }\mathrm{V} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Max}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{PTC\_Max}}+{\mathrm{R}}_1}=\text{3.3 }\mathrm{V}\times \frac{\text{11.611 }\mathrm{k\Omega }}{\text{11.611 }\mathrm{k\Omega }+\text{10 }\mathrm{k\Omega }}=\text{1.773 }\mathrm{V} \end{gathered}$$
3. 计算所需增益以生成最大输出摆幅。
Equation 4. ${\mathrm{G}}_{\mathrm{ideal}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{outMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}}=\frac{\text{3.15 }\mathrm{V}-\text{0.15 }\mathrm{V}}{\text{1.773 }\mathrm{V}-\text{1.519 }\mathrm{V}}=\text{11.811 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 选择 R₂ 的阻值并计算 R₃ 以产生步骤 3 中计算的增益。
Equation 5. $$\begin{gathered} \mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2} \\ {\mathrm{R}}_2=\text{1 }\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_2\times ({\mathrm{G}}_{\mathrm{ideal}}-1)=\text{1 }\mathrm{k\Omega }\times (11.811-1)=\text{10.811 }\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_3=\text{10.7 }\mathrm{k\Omega } \left(\mathrm{Standard}\mathrm{ }\mathrm{value}\right) \end{gathered}$$
5. 根据 R₂ 和 R₃ 的标准值计算实际增益。
Equation 6. ${\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}=\frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}=\frac{\text{1 }\mathrm{k\Omega }+\text{10.7 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}=\text{11.7 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
6. 根据实际增益计算输出电压摆幅。
Equation 7. ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out}\_\mathrm{swing}}=\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{inMin}}\right)\times {\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}=\left(\text{1.773 }\mathrm{V}-\text{1.519 }\mathrm{V}\right)\times \text{11.7 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=2.9718\mathrm{V}$
7. 计算输出电压绕中位电压对称时的最大输出电压。
Equation 8. ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{mid}-\mathrm{supply}}+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_swing}}}{2}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}}{2}+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_swing}}}{2}=\frac{\text{3.3 }\mathrm{V}-\text{0 }\mathrm{V}}{2}+\frac{\text{2.9718}\mathrm{V}}{2}=\text{3.136 }\mathrm{V}$
8. 计算出参考电压。
Equation 9. $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{outMax}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{inMax}}\times {\mathrm{G}}_{\mathrm{actual}}-\frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}} \\ \text{3.136 }\mathrm{V}=\text{1.773 }\mathrm{V}\times \text{11.7 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-\frac{\text{10.7 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=\frac{\text{1.773 }\mathrm{V}\times \text{11.7 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-\text{3.136 }\mathrm{V}}{\frac{\text{10.7 }\mathrm{k\Omega }}{\text{1 }\mathrm{k\Omega }}}=\text{1.646 }\mathrm{V} \end{gathered}$$

设计仿真

直流仿真结果

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

参考文献

1. MSP430 MCU 智能模拟组合培训
2. 《模拟工程师电路设计指导手册》
3. MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型
4. MSP430 温度检测 PTC 电路代码示例和 SPICE 仿真文件

首选运算放大器

设计备选运算放大器

首选热敏电阻

MSP430 相关电路