CMOS溫度傳感器校準算法設計與實現

　　摘要：理想CMOS溫度傳感器輸出隨溫度變化曲線具有嚴格線性關系，實際上由于制造工藝隨溫度變化等非理想因素的影響，輸出隨溫度變化呈非線性關系。結合低成本的要求，在高精度的應用中需對傳感器進行數字校準，使校準后輸出量隨溫度變化具有線性關系。通過對未校準之前CMOS溫度傳感器隨溫度變化的函數關系構造校準函數是算法的核心。通過分析精度指標、數據運算量及系統資源等因素，采取添加中值濾波和均值濾波處理原始數據的分段擬合校準方法，并在運算量的約束下得出了最優的分段值。經實際測試校準后CMOS溫度傳感器精度提高了0.3℃，在-20℃~120℃工業溫度范圍內精度達到 0.35℃。

　　引言

　　溫度在日常生產、生活和科學實驗中是一個非常重要的測試物理量。對溫度的測量，早期主要是采用模擬傳感器，如熱敏電阻、鉑電阻等，但這些傳感器難以集成。為了實現大規模集成，CMOS溫度傳感器越來越被重視。CMOS溫度傳感器是基于襯底寄生的PNP晶體管的特性而形成的溫度傳感電路，以其良好的線性度、功耗低、易實現大規模集成等特點，擁有廣泛的應用前景。

　　本文針對一款自行設計的低功耗CMOS溫度傳感器，根據實際工業應用場景對精度的更高要求，提出了一種高精度的校準算法。該算法通過對CMOS溫度傳感器的數字輸出值進行中值濾波和均值濾波，再對濾波結果進行分段擬合數據處理。最終測試結果表明，該算法提高了CMOS溫度計的精度，達到了 0.35℃，滿足事先預期的 0.5℃的目標。

　　CMOS溫度傳感器的測溫原理與實現方案

　　CMOS溫度傳感器總體結構

　　CMOS溫度傳感器是以基于CMOS縱向寄生的雙極型晶體管作為核心感溫器件。通過雙極型晶體管可以產生一個與溫度成正比的PTAT電壓和一個不隨溫度變化的基準電壓 ，將這兩個信號作為兩路信號輸入到ADC中進行轉換，即可以實現溫度的數字顯示，如圖1所示。根據預定的溫度計精度目標要求，確定ADC輸出為12位，采用并行輸出方式，供片外數字采集校準。