溫度傳感器AD7416的工作原理及應用解析

AD7416是美國模擬器件公司（ADI）出品的單片機溫度監(jiān)控系統(tǒng)集成電路。其內部包含有帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉換器，可將感應溫度轉換為0.25℃量化間隔的數(shù)字信號，以便用來與用戶設置的溫度點進行比較。AD7416片內寄存器可以進行高/低溫度門限的設置當溫度超過設置門限時，過溫漏級開路指示器（OTI）將輸出有效信號。另外，可以通過I2C接口對AD7416的內部寄存器進行讀/寫操作，最多可允許8片AD7416掛接在同一個串行總線上。該溫度傳感器可廣泛應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的環(huán)境溫度監(jiān)測、工業(yè)過程控制、電池充電以及個為計算機等系統(tǒng)。

1 基本特性與引腳功能

AD AD7416具有如下基本特性：

●工作電壓范圍為+2.7V～+5.5V；

●測溫范圍為-55℃～+125℃；

●具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25℃；

●精度為±2℃（-25℃～+100℃）和±3℃（-55℃～+125℃）；

●轉換時間為15～30μs，更新速率為400μs；

●帶有過溫漏級開路指示器（OTI）；

●具有I2C兼容的串行接口和可選的串行總線地址；

●具有低功耗關閉模式（典型值為0.2μA）；

●可用來升級替換LM75。

AD7416采用8腳表面貼SO和8腳小型SOIC封裝形式，圖1所示為AD7416的引腳排列圖，各引腳功能如表1所列。

表1 AD7416引腳功能

引 腳符 號功 能 描 述

1SDA串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端

2SCL時鐘信號輸入端

3OTI過溫漏級開路輸出端

4GND接地端

5A2串行總線地址輸入端

6A1串行總線地址輸入端

7A0串行總線地址輸入端

8VDD電源端

2 工作原理

AD7416的內部功能框圖如圖2所示。它的片內帶隙溫度傳感器可按預先設置的工作方式對環(huán)境溫度進行實時測量，并將結果轉化為數(shù)字量存入到溫度值寄存器中（地址00H），其環(huán)境溫度與輸出數(shù)據(jù)的關系如表2所列。

表2 環(huán)境溫度與輸出數(shù)據(jù)的關系

環(huán) 境 溫 度二進制數(shù)字輸出

-50℃11 0011 1000

-25℃11 1001 1100

-0.25℃11 1111 1111

0℃00 0000 0000

+0.25℃00 0000 0001

+10℃00 0010 1000

+25℃00 0110 0100

+50℃00 1100 1000

+75℃01 0010 1100

+100℃01 1001 0000

+125℃01 1111 0100

AD7416預先設置的工作方式分兩種：

●自動測溫方式。在這種方式下，AD7416每隔400μs對環(huán)境溫度測量一次，每次的量化轉換時間為15～30μs，其余時間芯片則自動轉入休眠狀態(tài)；

D7 D6 D5D4 D3D2D1D0

通道選擇故障排隊OTI輸出極性比較/中斷工作方式

●低功耗方式。這種方式通常應用在測溫頻率較低的場合。當用戶需要對環(huán)境溫度進行測量時，可通過I2C串行接口總線來寫入操作命令，此時，芯片將由休眠狀態(tài)轉入測溫狀態(tài)。當溫度量化轉換結束后，芯片將重新轉入休眠狀態(tài)。

AD7416內部的配置寄存器（地址01H）為8位讀/寫寄存器，可用于設置操作方式，其格式為：

配置寄存器各部分的功能如下：

●D7～D5始終設置為000；

●D4和 D3用于設置故障排隊長度，以防止測溫系統(tǒng)在受到干擾時錯誤地觸發(fā)過溫指示器（OTI），故障排隊長度可分別設置為1、2、4和6次；

●D2用于設置OTI的輸出極性。0表示低電平輸出，1表示高電平輸出；

●D1 用于設置OTI的工作方式。0表示采用比較方式工作，即當環(huán)境溫度超過TOTI時觸發(fā)OUT輸出，其輸出電平一直保持到環(huán)境溫度降至THYST；1表示采用中斷方式工作，即當環(huán)境溫度超過TOTI的觸發(fā)OTI輸出，其輸出電平將一直保持到下一次讀操作，而在這期間，即使環(huán)境溫度降到THYST，輸出電平也不翻轉；

●D0用于設置工作方式。0表示采用自動測溫方式，1表示采用低功耗方式。

THYST溫度點寄存器（地址02H）和TOTI溫度點寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設置低端和高端溫度點的門限值，所設數(shù)值以二進制補碼的形式存入高9位，其余位置0。

AD7416采用I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來實現(xiàn)同外設的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中AD7416作為從器件通過數(shù)據(jù)輸入/輸出線SDA以及時鐘信號線SCL與總線相連。其傳輸時序如圖3所示。當SCL保持高電平時，SDA從高電平到低電平的跳變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送AD7416的地址信息的讀/寫控制位。其地址信息的格式為：100A2A1A0R/W。

根據(jù)A2A1A0的不同編碼，最多可允許8片AD7416掛接同一個串行總線上。讀/寫控制位為1時，表示對AD7416進行讀操作，為0時，則表示進行寫操作。當每個字節(jié)傳送結束時，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認信號（ACK）后方可開始下一步的操作。然后在地址信息和讀/寫控制位之后傳送片內寄存器地址和數(shù)據(jù)。最后，在SCL保持高電平的情況下，當SDA從低電平跳變到高電平時將終止數(shù)據(jù)的傳輸操作。

3 應用實例

AD7416在每次上電時的默認參數(shù)如下：

●TOUI設置為80℃、THYST設置為75℃；

●OTI采用比較方式工作；

●OTI輸出低電平有效；

●故障排隊長度設置為1。

這些默認值可使該溫度傳感器在不連接串行總線時用作自動調溫器，圖4所示就是AD7416作為自動調溫器的典型應用電路原理圖。當被測量的環(huán)境溫度低于 THYST時，OTI輸出高電平，Q1導通，繼電器吸合，加熱器開始工作；當被測量的環(huán)境溫度高于TOTI時，OTI輸出低電平，將Q1的基極電位拉低以使其截止，繼電器釋放，加熱器停止工作。

實際應用中應注意以下幾個問題：

●為防止環(huán)境干擾，AD7416的電源同地線之間要并接容值大于0.1μF的鉭電容；

●AD7416的感溫器件在芯片內部，因此芯片表面要被測物體緊密接觸；

●由于芯片自耗電的存在，AD7416工作時的自身溫升約為0.2，所以在精確測溫時應采取低功耗的工作方式；

●OTI輸出端的上拉電阻的阻值越大，流入AD7416的電流越小，其溫升也越小，但上拉電阻最大不能超過30kΩ，通常選10kΩ；

●與I2C兼容的接口總線在AD7416上電后就一直有效，因此在芯片處于休眠狀態(tài)下仍可進行片內數(shù)據(jù)的讀出和寫入。