【導(dǎo)讀】溫度是一個(gè)模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常用到溫度來完成測量、控制和保護(hù)等功能。如果使用合適的技術(shù)和器件，從模擬溫度到數(shù)字信息所必需的轉(zhuǎn)換將很容易。本文討論了溫度比較器、PWM輸出溫度傳感器以及遠(yuǎn)端二極管(或溫度二極管)溫度傳感器。
溫度是一個(gè)模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常用到溫度來完成測量、控制和保護(hù)等功能。如果使用合適的技術(shù)和器件，從模擬溫度到數(shù)字信息所必需的轉(zhuǎn)換將很容易。
用微控制器(µC)讀取溫度值在理論上很簡單。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將熱敏電阻分壓器、模擬輸出溫度傳感器或其它模擬溫度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后由µC讀取即可(圖1)。對于有些內(nèi)置ADC的控制器能夠簡化一些設(shè)計(jì)。ADC需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓，可由一個(gè)外部元件產(chǎn)生。例如，用于熱敏電阻傳感器的基準(zhǔn)電壓通常與加在電阻-熱敏電阻分壓器頂端的電壓相同。然而，這類系統(tǒng)存在下述問題：
傳感器輸出電壓范圍遠(yuǎn)小于ADC輸入電壓范圍。這種用途的典型ADC一般具有8位分辨率和一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓(該電壓通常等于輸入電壓范圍)。如果在所測溫度范圍內(nèi)傳感器的最大輸出只有1.25V，那么有效分辨率實(shí)際只有7位。為了能夠達(dá)到8位分辨率，或者外加運(yùn)放來提高增益，或者降低ADC的基準(zhǔn)電壓(這可能會使某些ADC的精度受損)。
誤差分配緊張。將熱敏電阻或模擬傳感器的誤差與來自于ADC、放大器失調(diào)、增益設(shè)置電阻容差和電壓基準(zhǔn)等的誤差貢獻(xiàn)綜合起來考慮，可能會發(fā)現(xiàn)總誤差已經(jīng)超出了系統(tǒng)所允許的容限。
想獲得線性的溫度-代碼傳遞函數(shù)，而你正在使用熱敏電阻。熱敏電阻的傳遞函數(shù)具有很嚴(yán)重的非線性，不過，如果只需在很窄的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用的話，它還可滿足要求。當(dāng)然還可以通過查表方式進(jìn)行線性補(bǔ)償，但系統(tǒng)可能無法滿足這種方案的資源需求。
ADC輸入通道有限。多點(diǎn)溫度測量時(shí)，如果需要測量的點(diǎn)數(shù)超過了ADC的輸入通道數(shù)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間。
µC的I/O引腳數(shù)有限。對于內(nèi)置ADC的微控制器不存在這個(gè)問題，但當(dāng)采用外部串行ADC時(shí)則需要2至4個(gè)I/O引腳與µC接口。
圖1. 在這個(gè)簡單接口中，ADC的基準(zhǔn)電壓取自電源電壓。可用模擬溫度傳感器取代熱敏電阻-電阻分壓器。在此情況下，ADC (有可能內(nèi)置于µC)需要一個(gè)足夠精度的電壓基準(zhǔn)。
如果采用數(shù)字接口的溫度傳感器，上述設(shè)計(jì)問題將得以簡化。同樣，當(dāng)ADC輸入通道和µC的I/O引腳短缺時(shí)，采用時(shí)間或頻率輸出的溫度傳感器也能夠解決上述測量問題(圖2)。以MAX6576溫度傳感器為例，它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期。采用6引腳SOT23封裝，僅占很小的電路板空間。該器件通過一個(gè)I/O引腳與µC接口，利用µC的內(nèi)部計(jì)數(shù)器測出周期后就可計(jì)算出溫度。
圖2. MAX6576輸出方波的周期正比于絕對溫度，MAX6577的輸出頻率正比于絕對溫度。比例常數(shù)通過TS0和TS1引腳在四種值中選擇其一，無需外圍元件。
將兩個(gè)邏輯輸入引腳分別接地或正電源電壓，可以從四個(gè)介于10µs/°K到640µs/°K之間的周期/溫度比例常數(shù)中選擇一個(gè)適當(dāng)參數(shù)。
另外一種類似的溫度傳感器(MAX6577)輸出方波信號，其頻率/溫度系數(shù)能夠在0.0675Hz/°K和4Hz/°K之間設(shè)定。這兩種器件不僅簡化了溫度的測量，而且節(jié)省了PCB的實(shí)際成本、元件數(shù)目和模擬/數(shù)字I/O資源。它們能夠通過單個(gè)數(shù)字I/O引腳將溫度數(shù)據(jù)傳遞至µC，并且只需增加一個(gè)光電隔離器就可以實(shí)現(xiàn)傳感器和CPU之間的隔離，使它們非常適合于要求電氣隔離的應(yīng)用。
對于要求測量多點(diǎn)溫度的應(yīng)用，方案選擇更為復(fù)雜。將熱敏電阻或傳統(tǒng)的模擬傳感器放置在合適的位置，并連接至ADC輸入端，前提是ADC必須具備足夠的輸入端。作為另外一種選擇，MAX6575能夠直接將溫度數(shù)據(jù)傳給µC，并且最多可以將八個(gè)MAX6575掛在同一條µC的I/O輸入上。只需一條簡單的I/O線將8只MAX6575連接至µC即可(圖3)。測量溫度時(shí)，µC短暫地拉低I/O線，經(jīng)過短時(shí)間延時(shí)后，第一片MAX6575拉低I/O線。這個(gè)延時(shí)正比于絕對溫度值，比例常數(shù)可通過MAX6575的兩個(gè)引腳設(shè)定。
圖3. 采用延時(shí)方式編碼溫度信息，最多至8片MAX6575可通過一個(gè)數(shù)字I/O引腳將8個(gè)溫度信息傳送給µC。
第一個(gè)傳感器將信號線拉低，并保持一個(gè)正比于溫度(5µs/°K)的間隙后釋放。第二片MAX6575通過編程引腳選擇為更大的延時(shí)系數(shù)，經(jīng)過第二個(gè)延時(shí)時(shí)間后拉低I/O線并保持一段由5µs/°K常數(shù)決定的間隔。按照這種方式，四片MAX6575被連接到一條I/O線上。除此之外，還可在同一條I/O線上加掛另外四片更長延時(shí)的MAX6575。MAX6575L的延時(shí)系數(shù)介于5µs/°K至80µs/°K，MAX6575H的延時(shí)系數(shù)介于160µs/°K至640µs/°K之間。這樣，多達(dá)8片MAX6575能夠安裝在系統(tǒng)周圍的不同位置，通過一條I/O線連接至µC。
對于有些系統(tǒng)，并不需要知道精確的溫度值，只要了解溫度是否高于或低于某特定值即可。該信息用來觸發(fā)風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它環(huán)境控制單元。在系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)用中，“過溫位”用來觸發(fā)有序的系統(tǒng)停機(jī)，避免系統(tǒng)電源切斷造成數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)然，這個(gè)單位信息也可以通過上例所述的溫度測量來得到，但相對于這個(gè)簡單功能來講上述方法所需的軟件和硬件開銷過多。
用一個(gè)電壓比較器取代圖1中的ADC，產(chǎn)生的1位輸出可驅(qū)動(dòng)µC的一個(gè)I/O引腳(圖4)。同樣，圖中的熱敏電阻也可以由模擬電壓輸出的溫度傳感器代替。大多數(shù)此類器件的輸出電壓與溫度的關(guān)系與電源電壓無關(guān)。為避免電源電壓變化的影響，將比較器的電阻分壓器頂端連接至電壓基準(zhǔn)而非電源電壓。
圖4. 將傳感器和比較器相結(jié)合，產(chǎn)生的1位數(shù)字輸出能夠警告µC溫度變化超出了預(yù)先規(guī)定的門限值。
如果將傳感器-比較器組合電路替換為溫度開關(guān)，如MAX6501，則系統(tǒng)得到進(jìn)一步簡化。這種單片器件結(jié)合了傳感器、比較器、電壓基準(zhǔn)和外部電阻等多種功能。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，漏極開路輸出變低。該系列中還有一些器件在溫度低于設(shè)定門限時(shí)開漏輸出變低(MAX6503)，另外一些為推/挽式輸出，在溫度高于或低于設(shè)定門限時(shí)輸出變高(MAX6502，圖5，或MAX6504)。此外，通過一個(gè)引腳接V+或接地，可設(shè)置2°C或10°C的滯回。現(xiàn)有的門限溫度介于-45°C至+115°C之間，間隔10°C。
圖5. 當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)的門限值時(shí)，MAX6502產(chǎn)生邏輯高輸出。
正如MAX6575一樣，也可以將多片MAX6501或MAX6503連接到單條I/O線上，當(dāng)一點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度越過門限時(shí)通知µC。如果系統(tǒng)必須知道哪些位置溫度越限，則每個(gè)開關(guān)必須連接到單獨(dú)的I/O引腳。
上述傳感器測量的是其自身管芯的溫度，由于管芯溫度接近于引線溫度，所以每個(gè)傳感器必須安置在與被監(jiān)視元件有良好熱耦合的位置。然而，有些情況下，必須監(jiān)測的溫度無法緊耦合至傳感器—例如功率ASIC，其管芯要比四周電路板熱得多。采用一個(gè)內(nèi)置的溫度傳感器可以使ASIC出現(xiàn)過熱故障時(shí)關(guān)斷，但這種方法仍然不夠精確，并且不能在故障出現(xiàn)前給系統(tǒng)提供警告信息。
給ASIC管芯增加一個(gè)可外部連接的p-n結(jié)就能夠直接測量管芯溫度，只需給其施加兩種或兩種以上的正向電流，并分別測出結(jié)電壓。兩電壓之差正比于管芯絕對溫度：
其中，I1和I2是施加于p-n結(jié)的正向電流，V1和V2是相應(yīng)的正向結(jié)電壓，k是波耳茲曼常數(shù)，T是絕對結(jié)溫(單位為開爾文)，q是電子電荷。
但是，這種測量方法需要產(chǎn)生精密電流比和測量微小電壓差的精密電路，同時(shí)還要克服功率ASIC管芯因大幅電平跳變帶來的噪聲。令人欣慰的是，Maxim的遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器已將這些精密的模擬單元和簡單靈活的數(shù)字接口集成起來了。
以MAX6654為例，它能夠以8位分辨率(1°C)測量遠(yuǎn)端結(jié)溫，并通過SMBus接口將結(jié)果傳給µC (圖6)。該器件最初被設(shè)計(jì)用來監(jiān)測PC機(jī)內(nèi)CPU的溫度，它還具有其它一些能夠減輕控制器負(fù)擔(dān)的特性。例如，MAX6654采用窗口比較器監(jiān)測遠(yuǎn)端結(jié)溫，當(dāng)溫度高于或低于預(yù)先從µC寄存器中下載的門限值時(shí)中斷µC。µC一旦在啟動(dòng)時(shí)設(shè)定好溫度門限后，就可以放手MAX6654，直到溫度出現(xiàn)異常，需要µC處理為止，而不需要不斷對MAX6654進(jìn)行查詢。
圖6. 通過施加電流并測量正向結(jié)電壓，MAX6654能夠測出一個(gè)外部P-N結(jié)(位于分立晶體管、ASIC或CPU內(nèi))的溫度。
MAX6654采用10引腳µMAX®封裝，可靠近待測結(jié)放置。縮短待測結(jié)和MAX6654之間的連線長度有助于降低噪聲干擾。
本文來源于Maxim。
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