AVR ATtiny824 on-chip temperature sensor

[Georg M. (g_m)]

Ich teste jetzt den Temperatursensor unter den günstigsten Bedingungen 
(3.0V, 25°C), und trotzdem beträgt der Messfehler +10 Grad.

Übersehe ich etwas, oder ist der Temperatursensor tatsächlich so 
schlecht kalibriert?

#define F_CPU 2000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

void USART0_sendString(const char *str)
{
  for(uint8_t i = 0; i < strlen(str); i++)
  {
    while(!(USART0.STATUS & USART_DREIF_bm)){}  // wait until transmit data register is empty
    USART0.TXDATAL = str[i];                    // transmit data
  }
}

int main(void)
{
  _PROTECTED_WRITE(CLKCTRL.MCLKCTRLB, CLKCTRL_PDIV_10X_gc | CLKCTRL_PEN_bm);   // 2MHz main clock

  PORTB.DIRSET = PIN2_bm;             // PB2 output (USART0 TxD)
  USART0.BAUD =  833;                 // 9600 Bd @ 2.0 MHz
  USART0.CTRLB = USART_TXEN_bm;       // enable transmitter

  ADC0.CTRLA = ADC_ENABLE_bm;                                   // enable ADC
  ADC0.CTRLB = ADC_PRESC_DIV4_gc;                               // ADC clock 500 kHz
  ADC0.CTRLC = ADC_REFSEL_1024MV_gc | (2 << ADC_TIMEBASE_gp);   // ADC reference and timebase
  ADC0.CTRLE = 16;                                              // sample duration (~33µs)
  ADC0.MUXPOS = ADC_MUXPOS_TEMPSENSE_gc;                        // ADC input
  ADC0.COMMAND = ADC_MODE_SINGLE_12BIT_gc;                      // ADC mode

  while(1)
  {
    ADC0.COMMAND |= ADC_START_IMMEDIATE_gc;        // start ADC conversion
    while(!(ADC0.INTFLAGS & ADC_RESRDY_bm));       // wait until conversion is done 
 
    uint16_t adc_reading = ADC0.RESULT >> 2;       // 12-bit to 10-bit
    int8_t sigrow_offset = SIGROW.TEMPSENSE1;      // temperature sensor offset
    uint8_t sigrow_gain = SIGROW.TEMPSENSE0;       // temperature sensor slope
    uint32_t temp = adc_reading - sigrow_offset;   // offset correction
    temp *= sigrow_gain;                           // multiply by slope
    temp += 0x80;                                  // correction
    temp >>= 8;                                    // temperature in Kelvin
    uint16_t temperature_C = temp - 273;           // temperature in degree Celsius

    char chst[4];                                  // 3-char-string
    sprintf(chst, "%d", adc_reading);              // integer to string
    USART0_sendString("ADC: ");
    USART0_sendString(chst);
    sprintf(chst, "%d", temperature_C);            // integer to string
    USART0_sendString("    temperature: ");
    USART0_sendString(chst);
    USART0_sendString(" °C");
    USART0_sendString("\r\n");
    _delay_ms(2000);
  }
}

[Oliver S. (oliverso)]

Woher kennst du denn die tatsächliche Temperatur "On Chip"?

Oliver

[Ingo L. (corrtexx)]

Georg M. schrieb:
> Übersehe ich etwas, oder ist der Temperatursensor tatsächlich so
> schlecht kalibriert?
Die internen Temperatursensoren der Controller sind eigentlich nur dazu 
da um abzuschätzen ob der Controller in Flammen steht oder eingefroren 
ist.

[Sebastian R. (sebastian_r569)]

Oliver S. schrieb:
> Woher kennst du denn die tatsächliche Temperatur "On Chip"?
>
> Oliver

Das.

Das Die im Gehäuse dürfte deutlich wärmer sein als die Lufttemperatur in 
der Umgebung.

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Schon nach DB typ +4,5°C Abweichung bei 25°C und der Chart '34.6 
TEMPSENSE Characteristics' lässt auch nicht frohlocken.
ADC Characteristics werden gemessen wenn man alles andere schlafen 
gelegt hat.
Gerade beim Tempsense misst Du natürlich die Eigenerwärmung mit.
Gerade deshalb ist es sinnvoll in der realen Applikation unter realen 
Bedingungen die Korrekturwerte zu ermitteln.

Wenn man das tut ist der Sensor nicht ganz furchtbar und kann z.B. für 
OTP benutzt werden.

[Wastl (hartundweichware)]

Michael schrieb:
> Schon nach DB typ +4,5°C Abweichung bei 25°C und der Chart '34.6
> TEMPSENSE Characteristics' lässt auch nicht frohlocken.

Insbesondere sagt ein typischer Wert nichts aus über einen
garantierten Wert. Das kann nur als Orientierung dienen.
Ausreisser nach oben und unten dürfen praktisch "beliebig"
sein solange keine Min-/Max-Werte angegeben sind.

[Peter B. (gast_123)]

versuche es einmal mit der alternativen Berechnung, welche ich im DS des 
AVR128 gefunden habe. Hier wird der ADC-Wert vom Offset abgezogen und 
nicht umgekehrt. (siehe Anhang) Beim Tiny817 hat's geholfen.

[Oliver S. (oliverso)]

Peter B. schrieb:
> Hier wird der ADC-Wert vom Offset abgezogen und
> nicht umgekehrt.

Nun ja, zumindest nach den Regeln des alten Adam Riese dreht das halt 
das Vorzeichen um. Kann man machen, dürfte aber im Falle des TO sinnlos 
sein.

Oliver

[Stefan F. (Gast)]

Georg M. schrieb:
> Übersehe ich etwas, oder ist der Temperatursensor tatsächlich so
> schlecht kalibriert?

Ich glaube, der ist gar nicht kalibriert. "Not covered by production 
test", daher auch keine min/max Angaben.

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Stefan F. schrieb:
> Ich glaube, der ist gar nicht kalibriert. "Not covered by production
> test", daher auch keine min/max Angaben.

'The individual compensation
factors determined during the production test are stored in the 
Signature Row:
• SIGROW.TEMPSENSE0 is a gain/slope correction
• SIGROW.TEMPSENSE1 is an offset correction'
The result of the temperature sensor measurement must be processed in 
the application software using
compensation values from device production or user calibration to 
achieve more accurate results.'

Es werden nur keine Min / Max Werte über den vollen Arbeitsbereich 
kontrolliert.
Die werkseitig voreingestellten Werte können nicht sehr gut sein.
Dazu muss man min ein 2punkt Kalibrierung an zwei weit entfernten 
Punkten machen, bei konstanter VCC der realen Schaltung.
Beim Production Test wird eigentlich nur im Schnelldurchlauf entschieden 
ob es sich lohnt das Die ins Gehäuse zu packen.
Da fährt man nicht von 0°C is 100°C ab inkl. Einschwingzeit.
Das ist ja nur eine Diodenstrecke die zur Messung benutzt wird und kein 
PT100.

Ingo L. schrieb:
> Die internen Temperatursensoren der Controller sind eigentlich nur dazu
> da um abzuschätzen ob der Controller in Flammen steht oder eingefroren
> ist.
Unkalibriert ist das so.
Man bekommt die auf ein paar Grad genau, mit einer eigenen Kalibrierung, 
die man im eeprom ablegt.
Hat man keine externe Schnittstelle, kann man auch stumpf davon ausgehen 
das beim ersten Einschalten nach Programmierung die Temperatur X 
herrscht und die nimmt man als Referenz und korrigiert damit die 
Werksseitige Kalibrierung.
Für vieles genau genug.
Je weiter man sich vom Kalibrierpunkt entfernt umso ungenauer wird es.

[Georg M. (g_m)]

Beim ATtiny402 ist der Messfehler wesentlich kleiner: nur +2 Grad.

Eigentlich müsste die tinyAVR® 2 Family besser sein als die Vorgänger.
Etwas stimmt nicht.

[Stefan F. (Gast)]

Georg M. schrieb:
> Etwas stimmt nicht.

Du erwartest maximale Abweichungen, die das Datenblatt nicht verspricht. 
Ich glaube dir ja gerne, dass dein gemessener ATtiny402 besser ist. Das 
heißt aber nicht, das alle besser sind. Doch selbst wenn es so wäre, 
wäre das völlig OK, denn der Hersteller verspricht beim ATtiny824 nichts 
konkretes. Jeder gelieferte Mikrocontroller darf vom versprochenen 
typischen Wert beliebig weit abweichen.

[C-hater (c-hater)]

Michael schrieb:

> Es werden nur keine Min / Max Werte über den vollen Arbeitsbereich
> kontrolliert.
> Die werkseitig voreingestellten Werte können nicht sehr gut sein.
> Dazu muss man min ein 2punkt Kalibrierung an zwei weit entfernten
> Punkten machen, bei konstanter VCC der realen Schaltung.

So ist es. Erklärt aber nicht die extremen Abweichungen beim TO, der ja 
angeblich in der Nähe von 25°C ambient hantiert.

Da sind die Ergebnisse bei zumindest einigen der neueren AVR8-Typen 
(also die XMega-Erben) nach meiner Erfahrung typisch deutlich besser. 
Etwa so im Bereich bis maximal +-2°C (unter Benutzung der werksseitig 
hinterlegen Kalibrierungswerte).
Bei deutlich von 25° abweichendender Temperatur wird der Fehler dann 
(erwartungsgemäß) tendenziell immer größer. Wobei sich natürlich die 
Situation ergeben kann, dass er zunächst sogar kleiner wird, dann aber 
in die entgegen gesetzte Richtung wächst. Hängt halt davon ab, wie bei 
der Kalibrierung der gemessene Fehler auf die beiden Kalibrierungswerte 
verteilt wurde.

Wie auch immer, bei 25°C Umgebungstemperatur sollte es jedenfalls schon 
so halbwegs passend sein. +10°C sind ungewöhnlich. Da stimmt irgendwas 
nicht. Vermutlich an der Schaltung. Mit einem geeigneten 
Schaltungsfehler wäre es natürlich recht problemlos möglich, die 
Die-Temperatur in Sekundenschnelle auf 10° über ambient zu bringen...

[Hermann W. (hermannw)]

Georg M. schrieb:
> Übersehe ich etwas, oder ist der Temperatursensor tatsächlich so
> schlecht kalibriert?

Ja, der ist so schlecht kalibriert. Ich habe das mal bei einem T85 
nachgemessen, der wohl nicht viel anders ist.
Beitrag "Re: ATtiny85 ADC differentiell 20x gain 1.1 int. Ref."
Faktor 0,77 und Offset 187,7