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溫度感測器是電子業應用最廣泛的感測器之一，應用範圍包括校正、安全性用途，以及暖通空調 (HVAC) 等。儘管應用廣泛，但溫度感測器及其本身的實作，可能會令設計人員很難以最低的成本達到最高的準確度。

溫度感測有許多種方法。最常見的方法是使用熱敏電阻、電阻溫度偵測器 (RTD)、熱電偶或矽溫度計等溫度感測器。但是，不是選對感測器就大功告成。感測器還必須連接至訊號鏈，而訊號鏈要維持訊號的完整性，並準確地補償特定感測技術的獨特特性，確保準確無誤地以數位方式呈現溫度。

本文將介紹一個 USB 供電式電路解決方案，有效協助完成這項任務。此方案使用負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻，同時結合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精準類比微控制器，以準確地監測溫度。

NTC 熱敏電阻的特性

熱敏電阻是一種對熱很敏感的電阻，可分為兩種類型：正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻和負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。多晶陶瓷 PTC 熱敏電阻的正溫度係數很高，通常用於切換式應用。而 NTC 陶瓷半導體熱敏電阻的負溫度係數很高，因此電阻會隨著溫度上升而下降，因此適合提供精準的溫度量測結果。

NTC 熱敏電阻有三種操作模式，包括電阻 - 溫度、電壓 - 電流，以及電流 - 時間。第一種模式利用熱敏電阻的電阻 - 溫度特性，能提供最精準的結果。

電阻 - 溫度電路將熱敏電阻設定於「零功率」狀態下。「零功率」狀態會假設元件的電流或電壓激磁，不會造成熱敏電阻自體發熱。

在典型的 NTC 熱敏電阻中，例如 Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 4.7 kΩ 元件 (採用 0603 封裝)，電阻 - 溫度響應具有高度非線性 (圖 1)。

圖 1：典型 NTC 熱敏電阻的電阻 - 溫度響應具有高度非線性，因此設計人員必須設法讓定義溫度範圍內的這種非線性得到控制。(圖片來源：Bonnie Baker；根據 Murata 的電阻值進行計算與繪製)

圖 1 展示 4.7 kΩ 熱敏電阻的高度非線性。NTC 熱敏電阻的電阻值會隨著溫度而下降，下降的速度是一個常數，稱為 ß (未顯示於圖中)。Murata 的 4.7 kΩ 熱敏電阻的 β 值為 3500。

熱敏電阻的非線性響應可以在軟體中進行修正，當中搭配高解析度類比數位轉換器 (ADC)，以及經驗性三階多項式或查找表。

不過，還能選擇一個更簡單、便宜且合用的硬體技術，只需將其應用於 ADC 之前，便能在 ±25°C 溫度範圍內控制住熱敏電阻的線性化問題。

硬體線性化解決方案

若要達到熱敏電阻輸出的第一階線性化，簡單的方式就是將熱敏電阻和標準電阻 (1%、金屬膜) 以及電壓來源進行串聯。串聯電阻值決定熱敏電阻電路線性區域的中位數。熱敏電阻的電阻值 (R_TH) 和 Steinhart-Hart 方程式，則決定熱敏電阻的溫度 (圖 2)。據證實，Steinhart-Hart 方程式是判斷 NTC 熱敏電阻溫度最理想的數學表示式。

圖 2：分壓器 (R_TH 和 R₂₅) 設定將熱敏電阻的響應線性化。ADC0 (ADC 輸入端) 的線性範圍，在大約 50°C 的溫度範圍內。(圖片來源：Bonnie Baker)

要得出熱敏電阻的實際電阻值 R_TH，第一步是定義分壓器的輸出 (V_ADC0)。接著使用 V_ADC0 找出 ADC 的數位輸出十進位碼 D_OUT，其中 D_OUT 取決於 ADC 位元數 (N)、ADC 最大輸入電壓 (V_REF)，以及 ADC 輸入電壓 (V_ADC0)。最後，將 R₂₅ (或 25°C R_TH 值) 乘以 ADC 代碼數和 ADC 數位輸出十進位碼的比值，就能找出電阻值 R_TH。第三步計算程序使用下方的方程式 2 來進行。

最後一個計算步驟，是利用先前提到的 Steinhart-Hart 方程式，將熱敏電阻的電阻值轉換成凱氏溫度。ADuC7023 精準類比微控制器利用方程式 4 確定感測器溫度：

  方程式 4

說明：

T₂ = 測量的熱敏電阻溫度 (K)

T₁ = 298 K (25°C)

β = 熱敏電阻在 298 K 或 25°C 下的 β 參數。β = 3500

R₂₅ = 熱敏電阻在 298 K 或 25°C 下的電阻值。R₂₅ = 4.7 kΩ

R_TH = 熱敏電阻在未知溫度下的電阻值，如方程式 3 所計算

圖 2 中，熱敏電阻在 25°C 時的電阻值 (R_TH) 等於 4.7 kΩ。由於 R₂₅ 的值等於熱敏電阻在 25°C 時的電阻值，因此分壓器的線性區域集中於 25°C (圖 3)。

圖 3：4.7 kΩ 熱敏電阻和 4.7 kΩ 標準電阻串聯的線性響應，分壓器上有 2.4 V 電壓。(圖片來源：Bonnie Baker；根據 Murata 的電阻值進行計算與繪製)

圖 3 中，串聯式熱敏電阻系統在大約 0°C 至 +50°C 的有限溫度範圍內，對溫度做出線性響應。在此範圍中，Delta 溫度誤差為 ±1°C。線性化電阻的值 (R₂₅)，應該等於相關溫度範圍中點處對應的熱敏電阻值。

此電路通常在 ±25°C 溫度範圍內取得 12 位元精準度，而熱敏電阻的標稱溫度為 R₂₅ 的值。

USB 型溫度監測器

電路解決方案中的訊號路徑，最開始是低成本的 4.7 kΩ 熱敏電阻，接著使用 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。這款微控制器整合四個 12 位元的數位類比轉換器 (DAC)、一個多通道 12 位元連續漸近暫存器 (SAR) ADC、一個 1.2 V 內部參考電壓，以及 ARM7^® 核心、126 KB 快閃記憶體、8 KB 靜態隨機存取記憶體 (SRAM) 和各種數位周邊裝置，例如 UART、計時器、SPI 和兩個 I²C 介面 (圖 4)。

圖 4：溫度感測電路使用 USB 連線進行供電，並使用 ADuC7034 微控制器的 I²C 介面進行數位通訊。(圖片來源：Analog Devices)

圖 4 中，電路的電源和接地完全都來自於四線式 USB 介面。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低壓降線性穩壓器，使用 USB 5 V 電源來產生 3.3 V 輸出。ADP3333 穩壓輸出為 ADuC7023 的 DVDD 供應電壓。ADuC7023 的 AVDD 電源需要進行額外的濾波，如圖所示。此線性穩壓器在 USB 電源和 IN 引腳之間也有濾波器。

溫度資料也是透過 USB D+ 和 D- 介面引腳來交換。ADuC7023 能夠使用 I²C 協定來傳輸和接收資料。這個應用電路使用雙線式 I²C 介面，來傳輸資料和接收設定指令。 

此應用使用以下 ADuC7023 特點：

• 12 位元 SAR ADC
• 搭配 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。整合式 62 KB 快閃記憶體所執行的使用者代碼，會設定和控制 ADC、管理 USB 介面的通訊，並處理來自熱敏電阻感測器的 ADC 轉換作業。
• I²C 端子是接至主機 PC 的通訊介面。
• 兩個外部開關／按鈕 (未顯示) 可強制零件進入快閃啟動模式：透過保持 DOWNLOAD (下載) 低位準和切換 RESET (重置) 開關 (而不是一般使用者模式)，ADuC7023 將會進入啟動模式。在啟動模式中，利用 USB 介面連接元件的相關 I2CWSD 軟體工具，可重新對內部快閃記憶體進行編程。
• VREF 為帶差參考電壓。系統中其他的電路參考電壓也能使用此參考電壓。為了抑制雜訊，這些引腳連接最小 0.1 μF 的電容。

由於 ADuC7023 採用小尺寸 (5 mm × 5 mm) 的 32 腳位晶片尺寸封裝，因此整個電路在 PC 板上佔據非常小的面積，能節省成本及空間。

即使具有強大的 ARM7 核心和高速 SAR ADC，ADuC7023 仍提供低功率的解決方案。整個電路的功耗通常為 11 mA，ARM7 核心的執行頻率為 5 MHz，主要 ADC 用來測量外部熱敏電阻。在兩次溫度量測之間，可以關閉微控制器和／或 ADC，進一步節省功耗。

佈局考量事項

圖 4 中的訊號處理系統，其實內部大有文章。整體來看，此系統中只有三個主動元件。雖然看似簡單，但在佈局方面其實存在一些有趣的挑戰。

例如，ADuC7023 微控制器是十分複雜的類比和數位系統，需要對接地規則特別留意。此系統在類比域中也許看起來「速度很慢」，但其板載式追蹤保持 ADC 是速度很快的多通道元件，取樣速度達 1 MSPS，時脈速度最快則達到 41.78 MHz。在此系統中，時脈的起落時間只有幾 ns 而已。這些速度將此應用歸為高速應用。

很明顯，混合訊號電路需要獲得特別關注。以下四點式檢查清單涵括主要面向：

1. 使用電解電容
2. 選擇較小的電容
3. 接地面考量事項
4. 可選購小型鐵氧體磁珠

電路中通常使用 10 mF 至 100 mF 的大型電解電容，與晶片之間的距離不超過兩吋。這些電容充當成電荷庫，以因應經由電源引線電感產生的瞬間電荷需求。

電路中較小的電容 (一般介於 0.01 mF 至 0.1 mF)，擺放的位置會盡可能靠近元件的電源引腳。這些電容的目的是迅速將高頻雜訊傳送至地面。

解耦電容下方的接地面，會將高頻電流解耦，並將 EMI/RFI 的放射量減到最低。接地面應該要大，而且具有低阻抗值。為了將電感值降到最低，電容是藉由過孔或短式走線來連接至地面。

除了圖 4 的解耦電容外，需要使用鐵氧體來為 USB 纜線提供 EMI/RFI 防護。此電路中使用 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T 作為鐵氧體磁珠，在 100 MHz 下的阻抗值為 1000 Ω。

結論

溫度感測器是應用最廣泛的感測器之一，但設計方面的需求持續激發設計人員降低成本和尺寸，同時提高感測準確度。本文將納入這些考量，針對低功率的 USB 型商用熱敏電阻系統提供實作說明。此系統結合 Analog Devices 的小型 12 位元 ADC，以及高精準度 ADuC7023 微控制器解決方案。這項組合成功利用電阻控制具有非線性行為的 NTC 熱敏電阻，以準確地感測和監測溫度。

NTC熱敏電阻阻值與溫度對照表

溫濕度，是空氣中的分子，會漂散，也不穩定，比對在同一位置，小的空間 ，才能真正的比對差異。。。但要在同一個等級的儀表，才有意義

檢測結果：錯誤執行調校鍵，引起ZERQ / SPAN (零點/滿刻度）點的數據偏移

同上，所有售出的溫濕度計產品，皆已調校過，不需執行調校程序, 若未經專業訓練或未配置標準溫濕度環境，或比對的信號產生器，自行調校會造成溫度，濕度讀值，差異變大或呈非線性狀態。。

基於專業告知∼
同等級的儀表,除了指『誤差的精度，同級』
感測的原理，同級』∼∼
而『水銀溫度計』，並非同級的產品 ，感測的原理，特性，介質也不同。。
一為水銀，一為電子式晶片(半導體/CMOS)

原理

電磁流量計利用法拉第感應定律來檢測流量。

在電磁流量計內部有一個產生磁場的電磁線圈，以及用於捕捉電動勢（電壓）的電極。正是由於這一點，電磁流量計才可以在管路內似乎什麼也沒有的情況下仍然可以量測流量。

按照法拉第感應定律，磁場內流動的導電液體會產生電動勢（電壓），此電動勢會和管路內徑、磁場強度以及平均流速成比例。換言之，在磁場中流動之液體的流速會轉換成電。（E 與 V × B × D 成比例）

隨著流量變化，電極捕捉的電動勢（電壓）也會按如下所述變化。

電磁流量計的特點

導電率

使用電磁流量計時，有一點要特別注意。由於電磁流量計是以電磁感應定律為依據，因此只能檢測導電液體的流量。是否為導電液體由導電率決定。那麼何謂導電率呢？

導電率通常是表示電流動容易程度的一個值。與其相對的數值是電阻率，它表示電流動的困難程度。常用單位是 S/cm。要確定電流動的容易程度，方法是將 1 cm² 的電極以相距 1 cm 的距離放置。一些實際量測的導電率示例如下，自來水的導電率在 100 到 200 μS/cm 之間，礦泉水為 500 μS/cm 或以上，純水為 0.1 μS/cm 或以下。

為了計算導電率，則需要正確計算電極面積與電極間的距離等條件。這讓計算相當困難。確定導電率，一般是使用導電率計（ US$50-1000） 進行量測。

為什麼水能導電？

H₂O 本身是穩定的分子，並不能導電。
那麼，為什麼電能夠在水中流動呢？
水是否能導電，其中的奧秘是由水中是否存在雜質決定。

除 H₂O（水分子）之外，水中還含有 Ca²+（鈣離子）與 Mg₂+（鎂離子）。所謂的硬水與軟水，是根據給定量水中所含的離子量區分。由於這些離子會在水中導電，因此自來水、地下水以及其它富含離子的水都具有導電性質。此外，由於純水只包含 H²O 而不包含任何雜質，因此它不能導電。

快速檢測方法

如果只是要確認是否有導電性，可以使用標準的萬用表。將測試儀設為量測電阻值的模式，然後將兩根探針放入液體中。即使測試儀的指針只是稍微向零移動，也代表有電在流動。 * 反之，如果指針不偏離 ∞，則沒有導電性。此時可以判斷為不能夠使用電磁流量計進行檢測。

*為謹慎起見，需要使用導電率計進行確認。

振動幅度(amplitude)簡稱振幅，代表振動的大小或強度。其另一個涵義則代表著機器設備的健康狀況，當機器的振動強度小時，代表機器的狀況良好，反之，振動愈大則代表機器的問題愈嚴重，目前ISO即以振幅大小來規範轉動機器設備的等級。
振幅強度可甀三種物理量來表示，有位移、速度及加速度三種，此外，振幅大小則因為描述的方式不同，而有幾種較常用的表示方式，如Peak to Peak值(簡稱P-P值)、Peak值(簡稱P值)、RMS值等，若以正弦波來表示的話，其換算的關係式如下：
         P-P值 = 2 ×P值
         P值 = 1.414 ×RMS值。

振幅單位普遍的使用習慣可以下表來說明：

其中µm = mm/1000，mil = inch/1000，g = 981m/s

另外有人使用dB值(分貝值)做為振幅單位，而其換算公式則為dB =20 log10( V/Vref) ，其中Vref有ISO及美制二種換算值，Vref的ISO值為
1 µm/Sec，Vref的美制值為1 ×10nm/sec。