Powermanagment-IC auf Abwegen Temperatur fernabfragen (Teil 1)

Test-Hardware und -ergebnisse

Die Test-Hardware ist sehr einfach. Im Prinzip sind es nur ein BJT und ein Register, die direkt mit dem LTC2970 verbunden sind. In der Praxis gibt es aber noch zusätzliche Betrachtungen. Das Rauschen ist dabei das größte Problem. Da die Schaltung die Temperatur aus der Ferne misst, gibt es Verbindungen, in die kapazitives Rauschen eingekoppelt werden kann. Dies verfälscht die Messungen. Das Hinzufügen von Rauschfiltern hilft, verlangsamt aber auch die (analogen) Einschwingzeiten und verlängert damit die Messungen. Die beste Testmethode ist es, kurze differenzielle Messleitungen mit ausreichender Isolierung und Schirmung gegenüber verrauschten Leitungen auf der Baugruppe einzusetzen. Dies reduziert die erforderliche Filterzeitkonstanten und die Einschwingzeit der Schaltung. Weil die Messungen zwei unterschiedliche Betriebspunkte und Pegel im Bereich unterhalb von Millivolt erfordern, gibt es einen Kompromiss zwischen der Rauschfilterung und der Messzeit.

Für die Evaluierung und Kalibrierung der Sensoren liefert ein Ölbad eine präzise gesteuerte und stabile Temperatur. Die Messbaugruppe enthält acht LTC2970 sowie die dazugehörigen Sensoren und ist klein genug, um in die Ölkammer zu passen. Die einzigen Leitungen die zur Baugruppe gehen sind +5 V, GND, SDA und SCL (Versorgung und Kommunikation). Dies wird alles von Linduino bereitgestellt, der den Algorithmus steuert. Bild 4 zeigt den Schaltplan einer der acht Testbausteine auf der Baugruppe.

Die Routine zur Temperaturwandlung muss jeden neuen Strom programmieren und dann auf zwei Dinge warten: die Spannungen müssen einschwingen und die Round-Robin-Schleife des A/D-Wandlers muss alle Werte des Wandlers aktualisieren. Man kann den ersten Punkt nur durch Warten auf das Einschreiben in das IDAC-Register erreichen. Diese Wartezeit sollte nicht kürzer als 90 ms sein (neun Zeitkonstanten unter Worst-Case-Bedingungen). Die zweite Anforderung erreicht man durch Lesen des »neuen« Bits in das Ergebnisregister des A/D-Wandlers, um sicher zu gehen, dass das Ergebnis auch aktualisiert ist. Man benutzt eine einfache Funktion »READ_NEW«, um so lange abzuwarten einen Wert aus dem Register zu lesen, bis das »neue« Bit gesetzt ist, was einen neuen A/D-Wandlerwert anzeigt. Der hier geschriebene Code wartet 350 ms zwischen den Stromeinstellungen und jeder Temperaturwert erfordert zwei Stromeinstellungen für eine Gesamtabtastzeit von 700 ms.

Testergebnisse

Man muss verschiedene Eigenschaften dieses Systems testen. Zuerst die Temperaturschrittgröße; Ziel ist es zu verifizieren, dass die Temperaturschritte auch so sind, wie im theoretischen Framework (später beschrieben in Teil 2 des Artikels) in den Gleichungen 10 bis 14. Zweitens gilt es, die absolute Genauigkeit zu verifizieren: Messen der Schaltung über den vollen Temperaturbereich.

Um die berechneten Annahmen der Temperaturschrittgröße zu verifizieren, wurde die Temperatur über einen weiten Bereich durchlaufen, so dass der A/D-Wandler konstant neue Werte für IHIGH, ILOW, UBE,HIGH und UBE,LOW misst. Es wurde erwartet, dass die Temperaturschritte, in unterschiedlichen Kombinationen von UBE, ILOW, und IHIGH  die berechneten Größen haben. In Bild 5 läuft die Temperatur von +120 °C auf –10 °C so schnell, wie es der Messaufbau erlaubt, wobei wiederholte Messungen durchgeführt wurden. Der Ausdruck zeigt Messungen, die mit einem LTC2970 durchgeführt wurden. Bei dieser Skalierung sind nur die diskreten Messschritte sichtbar.

Bild 6 zeigt die Temperaturschritte während die Temperatur von +120 °C auf –10 °C läuft. Man beachte, dass die Schritte nicht kontinuierlich verteilt sind, aber um diskrete Größen herum angesammelt sind, wie von den Empfindlichkeitsberechnungen vorhergesagt: ±2,3 K und ±0,25 K, hervorgerufen durch LSB-Schritte des Wandlers in den Abtastungen von UBE und ILOW. Einige Temperaturschritte enthalten zwei A/D-Wandler-LSB-Schritte (Bild 6), sodass sie einen Wert von nahe 4,5 K haben. Wir erläutern diese berechneten Annahmen später im Abschnitt Theorie in diesem Artikel.