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(電阻溫度檢測器)、熱電偶等。熱敏電阻長期受歡迎是因為它具有非常小的形狀因數(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)界標準，使得置換困難。熱敏電阻也需要補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試。由于ic技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員可用數(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。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)控相對于模擬傳感器，數(shù)字溫度檢測器完全是自己獨立完成工作，不需要另外的電路用于信號調(diào)理或線性化。數(shù)字溫度檢測器可以直接連接到微控制器，節(jié)省了設(shè)計時間、pcb面積和成本。它們可以靈活地降低電流消耗，這對于電池供電的應(yīng)用特別有用。用戶也可以編程溫度限制值(thigh和tlow)，以供報警需求。若超過編程限值，可產(chǎn)生中斷，使微控制器進行操作。很多ic設(shè)計系統(tǒng)為了節(jié)省板大小和降低成本，把adc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驅(qū)動風扇處在最佳速度。這種傳感器對閉環(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/負溫度系數(shù)。實際上，vbe絕對值隨晶體管而異。為使這些變化為零，電路必須校準每個晶體管。解決此問題的通用方法是當兩個不同電流密度加到晶體管發(fā)射極時比較晶體管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量干擾的地噪聲。來自感測晶體管的最大vbe為幾十毫伏，所以，

4、需要增益極對信號進行有效處理，達到adc要求。增益級用開關(guān)電容器電路和斬波器放大器。adc轉(zhuǎn)換與絕對溫度成比例的模擬信號為數(shù)字字(表示)。在上述工作原理的描述中，數(shù)字溫度感測ic包含感測晶體管。此方法通常稱之為本地溫度感測。也可以把晶體管擴展到ic，這種配置通常稱之為遠程溫度感測(見圖2)。當用外部晶體管時，必須在方程1和方程2中增加一個額外參量。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。遠程溫度感測方程為：(3)nf不是常數(shù)，所以導致溫度讀數(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、可用下式計算所引起的誤差(t)：(4)此外補償誤差可寫入adm1032的寄存器，并自動加到所測溫度中。在用遠程溫度測量時，標準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。在信號通路中包含一個低通濾波器(fc=65khz),這是由于遠程晶體管外加到ic上，會從d+或d-(傳感器與遠程熱晶體管的連線)線上拾取噪聲。為了最佳的性能，應(yīng)把遠程晶體管放置在*近溫度測量ic的d+和d-引腳處，若有適當?shù)谋Ｗo措施，遠程晶體管可以放置在距d+和d-引腳幾英尺的地方。若遠程熱二極管不在pcb中，則保護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、，使噪聲遠離。用遠程感測晶體管所引起的一個主要誤差源是d+和d-線的串聯(lián)電阻。此串聯(lián)電阻會引起偏移電壓，在用2電流溫度傳感器時必須單獨地校準它。用板上ic的補償寄存器使這種偏移電壓為零，在定標遠程晶體管之后由用戶進行編程。pcb上的漏電也對溫度誤差有影響，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)心的是電路保護和增加效率。數(shù)字溫度傳感器的一個典型應(yīng)

7、用實例是移動電話中晶體振蕩器的溫度控制(見圖3)。手機的通信頻率在整個工作溫度范圍內(nèi)必須保持穩(wěn)定，因為頻率變化會使手機不能與其網(wǎng)絡(luò)進行通信。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。因為adc已是數(shù)字ic的一部分，而且僅小部分時間用于測量溫度，所以，一些ic制造商已把模擬輸入通道置

8、入ic中(在adc輸入前簡單地置入一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān))。數(shù)字溫度ic的adc一般具有慢速轉(zhuǎn)換時間，所以，模擬輸入通道只可測量慢速的信號。高速信號轉(zhuǎn)換是不可能的。這些模擬輸入的一個常見應(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封裝內(nèi)。測量熱區(qū)域的溫度時，必須對重要的溫度做出判斷，并根據(jù)溫度的高低采取適當?shù)牟僮?見圖4)。在圖4電路中有一個典型的遠程熱晶體管。每個電路都有一個最佳性能溫度，可編程adt7316(圖4)的adc輸出，借助運放控制風扇速度。到風扇的電壓越高，風扇轉(zhuǎn)動就越快。隨著溫度降到其規(guī)定的限制內(nèi)，風扇速度變慢或關(guān)閉。風扇在所有時間都運行會增加系統(tǒng)的噪聲電平。所設(shè)計的完整溫度監(jiān)視系統(tǒng)，可監(jiān)視或控制很多風扇的速度以及測量極限電源電壓和多個熱區(qū)域(包括連接高性能ic的任何連接晶體管