數(shù)字溫度傳感器詳解

1、數(shù)字溫度傳感器詳解 一般溫度傳感器有熱敏電阻、rtd(電阻溫度檢測(cè)器)、熱電偶等。熱敏電阻長(zhǎng)期受歡迎是因?yàn)樗哂蟹浅Ｐ〉男螤钜驍?shù)、低成本和高靈敏度。其不足之處是有限的溫度范圍以及缺乏業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，使得置換困難。熱敏電阻也需要補(bǔ)償電路來克服非線性度。rtd通常用于精度和穩(wěn)定度要求高的場(chǎng)合，但成本是決定因素。熱電偶用于監(jiān)控極值溫度是理想的，但精度和穩(wěn)定度較差，而且必須非常精確地在控制條件下測(cè)試。由于ic技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可用數(shù)字溫度傳感器替代分立溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器具有價(jià)格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。在很多應(yīng)用中，數(shù)字溫度傳感器正開始替代前面所述的傳感器。幾種溫度傳感

2、器的性能比較見表1。數(shù)字溫度監(jiān)控相對(duì)于模擬傳感器，數(shù)字溫度檢測(cè)器完全是自己獨(dú)立完成工作，不需要另外的電路用于信號(hào)調(diào)理或線性化。數(shù)字溫度檢測(cè)器可以直接連接到微控制器，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間、pcb面積和成本。它們可以靈活地降低電流消耗，這對(duì)于電池供電的應(yīng)用特別有用。用戶也可以編程溫度限制值(thigh和tlow)，以供報(bào)警需求。若超過編程限值，可產(chǎn)生中斷，使微控制器進(jìn)行操作。很多ic設(shè)計(jì)系統(tǒng)為了節(jié)省板大小和降低成本，把a(bǔ)dc和dac集成在單芯片中。有的還具有內(nèi)置算法，用于消耗最大功率和保持噪聲最小時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇處在最佳速度。這種傳感器對(duì)閉環(huán)應(yīng)用特別有用。數(shù)字溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器是基于以下原理：二極管連接

3、的晶體管基極-發(fā)射極電壓vbe與其溫度成正比，在工作溫度范圍內(nèi)，vbe呈現(xiàn)大約-2mv/負(fù)溫度系數(shù)。實(shí)際上，vbe絕對(duì)值隨晶體管而異。為使這些變化為零，電路必須校準(zhǔn)每個(gè)晶體管。解決此問題的通用方法是當(dāng)兩個(gè)不同電流密度加到晶體管發(fā)射極時(shí)比較晶體管vbe變化(見圖1)。用下式求出溫度：(1)用i1=ni2代入上式，得到：(2)其中n：i1/i2電流比，k：波耳茲曼常數(shù)，q:電荷，t：開氏絕對(duì)溫度。n，k和q都是已知常數(shù)，所以得到：vbe=(constant)(t)或t=(constant)(vbe)在圖1中配置晶體管的偏置二極管防止來自測(cè)量干擾的地噪聲。來自感測(cè)晶體管的最大vbe為幾十毫伏，所以，

4、需要增益極對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效處理，達(dá)到adc要求。增益級(jí)用開關(guān)電容器電路和斬波器放大器。adc轉(zhuǎn)換與絕對(duì)溫度成比例的模擬信號(hào)為數(shù)字字(表示)。在上述工作原理的描述中，數(shù)字溫度感測(cè)ic包含感測(cè)晶體管。此方法通常稱之為本地溫度感測(cè)。也可以把晶體管擴(kuò)展到ic，這種配置通常稱之為遠(yuǎn)程溫度感測(cè)(見圖2)。當(dāng)用外部晶體管時(shí)，必須在方程1和方程2中增加一個(gè)額外參量。此參量是晶體管的理想因數(shù)nf，nf是晶體管理想性能偏差的量度。遠(yuǎn)程溫度感測(cè)方程為：(3)nf不是常數(shù)，所以導(dǎo)致溫度讀數(shù)誤差。某些數(shù)字溫度傳感器是在工廠調(diào)節(jié)補(bǔ)償特定的nf值。例如，調(diào)節(jié)adm1032nf值為1.008。若所用晶體管不能匹配1.008，則

5、可用下式計(jì)算所引起的誤差(t)：(4)此外補(bǔ)償誤差可寫入adm1032的寄存器，并自動(dòng)加到所測(cè)溫度中。在用遠(yuǎn)程溫度測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)pnp晶體管(即2n3906)可配置成二極管。其工作完全類似本地溫度傳感器。在信號(hào)通路中包含一個(gè)低通濾波器(fc=65khz),這是由于遠(yuǎn)程晶體管外加到ic上，會(huì)從d+或d-(傳感器與遠(yuǎn)程熱晶體管的連線)線上拾取噪聲。為了最佳的性能，應(yīng)把遠(yuǎn)程晶體管放置在*近溫度測(cè)量ic的d+和d-引腳處，若有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，遠(yuǎn)程晶體管可以放置在距d+和d-引腳幾英尺的地方。若遠(yuǎn)程熱二極管不在pcb中，則保護(hù)措施需要用屏蔽雙絞線纜線。若二極管在同一pcb上，則d+和d-走線應(yīng)與地平板并行

6、，使噪聲遠(yuǎn)離。用遠(yuǎn)程感測(cè)晶體管所引起的一個(gè)主要誤差源是d+和d-線的串聯(lián)電阻。此串聯(lián)電阻會(huì)引起偏移電壓，在用2電流溫度傳感器時(shí)必須單獨(dú)地校準(zhǔn)它。用板上ic的補(bǔ)償寄存器使這種偏移電壓為零，在定標(biāo)遠(yuǎn)程晶體管之后由用戶進(jìn)行編程。pcb上的漏電也對(duì)溫度誤差有影響，應(yīng)使pcb布線最佳化。溫度傳感器應(yīng)用數(shù)字溫度傳感器可使系統(tǒng)中的主要器件更有效地跟蹤溫度分布。溫度傳感器正在變得更精確(0.5)、更小巧(sot23封裝2.92.8mm,sc70封裝22.1mm)和更高的集成度(集成有adc，dac和風(fēng)扇控制)。這些傳感器也成為控制環(huán)路的一部分，控制環(huán)路主要關(guān)心的是電路保護(hù)和增加效率。數(shù)字溫度傳感器的一個(gè)典型應(yīng)

7、用實(shí)例是移動(dòng)電話中晶體振蕩器的溫度控制(見圖3)。手機(jī)的通信頻率在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)必須保持穩(wěn)定，因?yàn)轭l率變化會(huì)使手機(jī)不能與其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。把數(shù)字溫度傳感器放置在盡可能*近振蕩器處，使系統(tǒng)處理器監(jiān)視其溫度。傳感器輸出是10位數(shù)字字，使溫度讀數(shù)分辨率0.25。軟件利用方程中的讀數(shù)值，給出振蕩器頻率對(duì)溫度的傳遞函數(shù)曲線。振蕩器頻率輸出可以是壓控的。若溫度變化，則處理器將命令功率管理系統(tǒng)來改變控制電壓，從而在溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的頻率。半導(dǎo)體制造商通常把從前由專門ic處理的功能包含在它們的溫度傳感器中。因?yàn)閍dc已是數(shù)字ic的一部分，而且僅小部分時(shí)間用于測(cè)量溫度，所以，一些ic制造商已把模擬輸入通道置

8、入ic中(在adc輸入前簡(jiǎn)單地置入一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān))。數(shù)字溫度ic的adc一般具有慢速轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以，模擬輸入通道只可測(cè)量慢速的信號(hào)。高速信號(hào)轉(zhuǎn)換是不可能的。這些模擬輸入的一個(gè)常見應(yīng)用是系統(tǒng)電壓監(jiān)視，希望fsr精度為1%。較新的器件把dac和溫度傳感器組合在一個(gè)封裝內(nèi)。測(cè)量熱區(qū)域的溫度時(shí)，必須對(duì)重要的溫度做出判斷，并根據(jù)溫度的高低采取適當(dāng)?shù)牟僮?見圖4)。在圖4電路中有一個(gè)典型的遠(yuǎn)程熱晶體管。每個(gè)電路都有一個(gè)最佳性能溫度，可編程adt7316(圖4)的adc輸出，借助運(yùn)放控制風(fēng)扇速度。到風(fēng)扇的電壓越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)就越快。隨著溫度降到其規(guī)定的限制內(nèi)，風(fēng)扇速度變慢或關(guān)閉。風(fēng)扇在所有時(shí)間都運(yùn)行會(huì)增加系統(tǒng)的噪聲電平。所設(shè)計(jì)的完整溫度監(jiān)視系統(tǒng)，可監(jiān)視或控制很多風(fēng)扇的速度以及測(cè)量極限電源電壓和多個(gè)熱區(qū)域(包括連接高性能ic的任何連接晶體管