集成溫度傳感器

1、設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測(cè)量精度高, 傳感驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價(jià)格便宜,故在測(cè)溫技術(shù)中越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。 本節(jié)簡(jiǎn)要介紹IC溫度傳感器的類(lèi)型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問(wèn)題。第四節(jié)第四節(jié) ICIC溫度傳感器溫度傳感器一、IC溫度傳感器的分類(lèi)電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過(guò)激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測(cè)溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫

2、度，即1A/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達(dá)10M。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測(cè)溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強(qiáng)，故不適合長(zhǎng)線傳輸。這類(lèi)IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。 電流型IC溫度傳感器的測(cè)溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會(huì)給電路的調(diào)整帶來(lái)極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來(lái)測(cè)量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器

3、就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)而制造出來(lái)的集成化線性較好的溫度傳感器件。 利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過(guò)電流的變化來(lái)測(cè)量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測(cè)溫原理（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個(gè)引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來(lái)調(diào)整25下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在330k范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá)109110mV/，在-1080范圍內(nèi)基本誤差不1。輸出AN6701 (a)1243RC515VAN6701輸出 (c)10kRC3124515V -+100k10k

4、100k AN6701 (b)213輸出4515VRC三、IC溫度傳感器的主要特性輸出電壓/V02468101220020406080RC=100kRC=10kRC=1k溫度/CAN6701S的輸入特性在-1080范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過(guò)0.5%。若在25時(shí)借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在330k間，相應(yīng)的靈敏度為109110mV/。校準(zhǔn)后，在-1080范圍內(nèi)，基本誤差不超過(guò)1。這種集成傳感器在靜止空氣中的時(shí)間常數(shù)為24s，在流動(dòng)空氣中為11s。電源電壓在515V間變化，所引起的測(cè)溫誤差一般不超過(guò)2。整個(gè)集成電路的電流值一

5、般為0.4mA，最大不超過(guò)0.8mA（RL=時(shí)）。（二）電流型溫度傳感器1伏安特性工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，ITk，即KT標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1A/ I = KT TK 4V30V0I/AU/VAD590伏安特性曲線-55+25+150218298423 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590溫度特性曲線2溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項(xiàng)式之和，省略非線性項(xiàng)后則有:Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見(jiàn)，當(dāng)溫度為0時(shí)，輸出電流為273.2A。在常溫25時(shí)，標(biāo)定輸出電流為298.2A。I=KTTc273.23AD590的非線性150

6、55T/C0.30.30在實(shí)際應(yīng)用中，T 通過(guò)硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償校正，使測(cè)溫精度達(dá)0.1。其次，AD590恒流輸出，具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗。當(dāng)電源電壓由5V向10V變化時(shí)，其電流變化僅為0.2A/V。長(zhǎng)時(shí)間漂移最大為0.1，反向基極漏電流小于10pA。55100，T遞增，100150則是遞降。T最大可達(dá)3，最小T0.3，按檔級(jí)分等。T/CAD590非線性誤差曲線美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號(hào)，所以在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)?/p>

7、入DS1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無(wú)需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。 （三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 、 DS1820DS1820的特性的特性u(píng) 單線接口：僅需一根口線與MCU連接；u 無(wú)需外圍元件；u 由總線提供電源；u 測(cè)溫范圍為-55125，精度為0.5；u 九位溫度讀數(shù)；u A/D變換時(shí)間為200ms；u 用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值，且能夠識(shí)別具體報(bào)警傳感器。 DS 1820123GND I/O VDD(a) PR35封裝 DS182

8、0的管腳排列DS182012345678I/OGND(b) SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2 2、 DS1820DS1820引腳及功能引腳及功能 GND：地； VDD：電源電壓 I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出腳(單線接口，可作寄生供電) 3 3 、DS1820DS1820的工作原理的工作原理 圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源寄生電源、溫溫度傳感器度傳感器、64位激光位激光ROM單線接口單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等七部分。存儲(chǔ)器控制邏

9、輯64bitROM和單線接口電源檢測(cè)溫度傳感器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器8位CRC觸發(fā)器存儲(chǔ)器DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖寄生電源由兩個(gè)二極管和寄生電容組成。電源檢測(cè)電路用于判定供電方式。寄生電源供電時(shí),電源端接地，器件從總線上獲取電源。在I/O線呈低電平時(shí)，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向器件供電。寄生電源兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：n檢測(cè)遠(yuǎn)程溫度時(shí)無(wú)需本地電源；n缺少正常電源時(shí)也能讀ROM。若采用外部電源,則通過(guò)二極管向器件供電。(1 ) (1 ) 寄生電源寄生電源DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f。當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS1820對(duì)f0計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門(mén)開(kāi)通時(shí)間由

10、高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性予以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號(hào)點(diǎn)1位），但因符號(hào)位擴(kuò)展成高8位，故以16位補(bǔ)碼形式讀出，表3.4-1給出了DS1820溫度和數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。溫度/輸出的二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010

11、010FF92HDS1820溫度與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系表溫度與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系表 溫度測(cè)量電路斜率累加器計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)器2低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振=0=0預(yù)置溫度寄存器預(yù)置比較停止置位/清零加1(2) (2) 溫度測(cè)量原理溫度測(cè)量原理DS1820測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)，如圖。64位ROM的結(jié)構(gòu)如下： 開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)（DS1820為10H），接著是每個(gè)器件的唯一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS1820可以采用一線進(jìn)行通信的原因。主機(jī)操作ROM的命令有五種，如表所列指 令說(shuō) 明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號(hào)匹配ROM（55H）繼讀完64位

12、序列號(hào)的一個(gè)命令，用于多個(gè)DS1820時(shí)定位跳過(guò)ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲(chǔ)器操作將針對(duì)在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識(shí)別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準(zhǔn)備報(bào)警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對(duì)此命令作出響應(yīng)(3) 64(3) 64位激光位激光ROMROM DS1820存貯控制命令存貯控制命令指 令說(shuō) 明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動(dòng)在線DS1820做溫度A/D轉(zhuǎn)換讀數(shù)據(jù)（BEH）從高速暫存器讀9bits溫度值和CRC值寫(xiě)數(shù)據(jù)（4EH）將數(shù)據(jù)寫(xiě)入高速暫存器的第0和第1字節(jié)中復(fù)制（48H）將高速暫存器中第2和第3字節(jié)復(fù)制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫(xiě)入高速暫存器

13、中第2和第3字節(jié)讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式 DS1820單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念。因此系統(tǒng)對(duì)DS1820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。DS1820工作工程中的協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲(chǔ)器操作命令、處理數(shù)據(jù)。 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理 由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時(shí)掛接多片的顯著特點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的溫度，而且DS1820的連接線可以很長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量，因而得到了廣泛應(yīng)用。 采用寄生電容供電的溫度檢測(cè)系統(tǒng) 89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVD

14、DP1.1作輸出口用，相當(dāng)于TxP1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，我們用一個(gè)MOSFET管和89C51的一個(gè)I/O口（P1.0）來(lái)完成對(duì)DS1820總線的上拉。當(dāng)DS1820處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10s。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通過(guò)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)此種方法可掛接DS1820數(shù)十片，距離可達(dá)到米，而用一個(gè)口時(shí)僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時(shí)，由于讀寫(xiě)在操作上是分開(kāi)的，故不存在信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。 DS1820采用了一種單線總線系統(tǒng)，即可用一根線連接主從器件，DS1820作為從屬器件，主控器件一般為微處理器。單線總線僅由一根線組成，與總線相連的器