數(shù)字輸出傳感器簡化溫度采集

作者：Andy Jenkins and Jeff Lewis

TMP03 是單片硅芯片上的完整溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該器件包括一個硅基傳感器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和 Σ-Δ A/D 轉(zhuǎn)換器，適合采用 3 引腳（電源、公共和輸出）TO-92 晶體管封裝。其數(shù)字輸出為低頻可變占空比串行數(shù)據(jù)流，可通過集電極開路供電，提供 5mA 灌電流。配套產(chǎn)品 TMP04 完全相同，但具有兼容 CMOS/TTL 的輸出。+1 V（3.5至4 V范圍）時的靜態(tài)功率要求為5.7 mA。

圖1.TMP03 / TMP04 及其 Σ-Δ 調(diào)制器的功能框圖

將整個溫度至數(shù)字鏈集成到單個芯片上可節(jié)省空間、設(shè)計時間和資金。此外，數(shù)字輸出和少量引線提高了可靠性，并大大簡化了隔離和遠(yuǎn)程操作。誤差源越少，誤差預(yù)算的計算就越容易。TMP03 的數(shù)字輸出允許輕松構(gòu)建多通道系統(tǒng)（其他傳感器共享一個單通道低成本數(shù)字多路復(fù)用解碼器）。我們的 TMP03 評估板是低成本多通道溫度采集的一個例子。

TMP03 的典型應(yīng)用存在于“無處不在”;一些示例包括隔離傳感器、環(huán)境控制系統(tǒng)、計算機熱監(jiān)控、熱保護、工業(yè)過程控制和電源系統(tǒng)監(jiān)視器。

設(shè)備說明：ADI公司的帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生恒定電壓和PTAT（與絕對溫度成比例）電壓。在TMP03中，它們用作一階Σ-Δ調(diào)制器的輸入。器件輸出為35 Hz（標(biāo)稱）精確標(biāo)記空間調(diào)制數(shù)字信號，對頻率不敏感。TTL/CMOS 兼容輸出允許 TMP03 直接連接到標(biāo)準(zhǔn)邏輯。

因此，TMP03 和 TMP04 非常適合直接連接到微控制器定時器/計數(shù)器輸入端口和可編程邏輯陣列。TMP04 提供高輸出電流邏輯輸出，能夠驅(qū)動 1000 pF 的負(fù)載電容，開關(guān)邊沿定義損耗最小。

系統(tǒng)規(guī)格：由于 TMP03/TMP04 是完全獨立的，因此其規(guī)格接近最終系統(tǒng)規(guī)格。TMP03/04 的單一溫度精度規(guī)格結(jié)合了傳感器傳遞函數(shù)、信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換引起的誤差。典型精度（-25至+100°C）在1.5%以內(nèi)（最大值為4%），非線性度為0.5°C，電源靈敏度為0.7°C/V（最大值為1.2°C/V）。該器件的工作溫度范圍為 -55°C 至 +150°C。

遠(yuǎn)程操作： 傳統(tǒng)的低電平電壓輸出溫度傳感器的輸出，當(dāng)位于遠(yuǎn)端時，將不可避免地由于噪聲拾取和/或歐姆損耗而遭受信號衰減和錯誤。一些傳感器方案依靠模擬輸出調(diào)理來產(chǎn)生用于長距離傳輸?shù)碾娏鬏敵觯ɡ?，傳統(tǒng)的4-20 mA電流環(huán)路）。電流輸出消除了歐姆信號損耗，但額外的級在誤差預(yù)算計算中增加了另一個項。

TMP03/04 設(shè)計的數(shù)字輸出格式允許該溫度傳感器遠(yuǎn)離主機系統(tǒng)，而不會降低系統(tǒng)精度;35Hz 低頻輸出進一步確保長距離數(shù)據(jù)完整性。TMP03 與其主機之間的電纜電容當(dāng)然會繞過方波輸出的上升沿和下降沿，但相對于 29ms 時鐘周期，微秒級的延遲會增加可以忽略不計的誤差。在大多數(shù)應(yīng)用中，溫度是一個緩慢變化的變量，35 Hz載波對測量動態(tài)精度幾乎沒有影響。

如果選擇100 ×更高的輸出頻率，例如3 kHz，則輸出電路需要將高電流驅(qū)動到負(fù)載電容中，以保持邏輯轉(zhuǎn)換的短時間令人接受;上升和下降時間之間1 ms的不對稱性會增加約1°C的誤差。高輸出電流要求也會增加所需的電源電流。高頻、低電平傳感器輸出的替代解決方案：即，添加本地RS-232（或RS-485）接口來驅(qū)動長電纜，再次增加所需的遠(yuǎn)程供電電流。

下表比較了基于 TMP03 的溫度測量系統(tǒng)中的誤差源與基于傳統(tǒng)模擬溫度傳感器的系統(tǒng)中的誤差源：

TMP03 中的誤差預(yù)算計算只需要兩個項：數(shù)據(jù)手冊溫度測量誤差規(guī)范和外部數(shù)字解碼電路的量化誤差。電子表格計算可用于為外部數(shù)字解碼電路選擇所需的計數(shù)器分辨率。12位數(shù)字計數(shù)器解碼方案僅引入0.5°F量化誤差。

TMP03 輸出解碼：TMP03 傳感器使用標(biāo)記空間比調(diào)制（圖 2），體現(xiàn)了關(guān)系

其中 TH和 TL是方波輸出的高低周期。

圖2.標(biāo)記空間比調(diào)制方波輸出

使用基本的 TMP03 傳感器誤差規(guī)格，測量 T 時引入的誤差H和 TL是確定系統(tǒng)精度所需的唯一其他參數(shù)。例如，如果 TH和 TL使用 125kHz 時鐘頻率和 12 位計數(shù)器進行測量，由方波輸出的邊緣選通，量化誤差小于 0.5°F。 TH和 TL可以使用分立計數(shù)器、可編程邏輯陣列或帶有板載定時器/計數(shù)器端口的微處理器方便地進行測量。如果需要絕對溫度，可以使用微處理器或PC進行計算。下表顯示了用于建立 T 的典型計數(shù)器分辨率H和 TL值，以及各種時鐘速率下的關(guān)聯(lián)誤碼值。TMP03/TMP04 數(shù)據(jù)手冊中描述了計算方法。

表 1.計數(shù)器大小和時鐘頻率對量化誤差的影響

評估板使用125 kHz頻率;它允許溫度測量溫度高達(dá)85°C（加上~10°C的超量程），并提供大約0.3°C的分辨率。

圖3.TMP03 評估板框圖

TMP03 設(shè)計示例 – 評估板：使用可編程邏輯器件構(gòu)建了一個溫度測量系統(tǒng)，用于輸入多路復(fù)用（TMP03信號）并導(dǎo)出TH和 TL、一個 5V RS-232 轉(zhuǎn)換器和一個最多可容納 03 個 TMP3 的連接器（圖 8）。這種 03 通道溫度測量系統(tǒng)連接到與 IBM 兼容的個人計算機的串行端口，并允許從遠(yuǎn)程安裝的 TMP<> 傳感器收集和記錄溫度數(shù)據(jù)。PC選擇溫度傳感器，記錄數(shù)據(jù)并執(zhí)行溫度計算。

PC首先發(fā)送通道選擇字節(jié)。來自 TMP03 的數(shù)字編碼溫度信息（TH/TL方波）使用可編程邏輯器件進行解碼，并將TH和 TL計數(shù)值以串行方式發(fā)送到 PC。計算機使用公式1計算溫度?；?Windows 的軟件包提供了一個圖形界面來顯示數(shù)據(jù)，并允許用戶將數(shù)據(jù)保存到磁盤。圖 4 顯示了解碼器架構(gòu)的功能框圖。

圖4.評估板的解碼器架構(gòu)

這些功能塊在可編程邏輯器件（ICT， Inc. PA7140 PEEL 陣列）中實現(xiàn)：用于通道選擇的傳感器地址寄存器;兩個 12 位定時器 TH和 TL量化）;串行數(shù)據(jù)檢測和同步，用于傳輸?shù)絇C;輸出串行 TH和 TL計數(shù)數(shù)據(jù);傳感器開路/短路檢測器。

本來可以使用微控制器，但ICT PEEL陣列作為系統(tǒng)控制設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢：

易于開發(fā)、原型制作、仿真和調(diào)試，降低開發(fā)和生產(chǎn)成本。

在確定性、寄存器豐富的并行硬件架構(gòu)中精確控制時序

無需外部數(shù)字多路復(fù)用器即可容納八個傳感器。通過使用所需數(shù)量的數(shù)字多路復(fù)用器或可編程邏輯器件，可以添加更多通道。例如，一個 144 通道的系統(tǒng)將使用 10 個外部 PLD。

TMP03 提供了“易于設(shè)計”的溫度采集系統(tǒng)功能。憑借其多路復(fù)用評估板的低成本和易于擴展的特點，從遠(yuǎn)程工業(yè)溫度檢測到家庭溫度檢測的應(yīng)用現(xiàn)在都具有成本效益，因為每通道成本低且易于集成。由于易于設(shè)計和規(guī)格，上市時間很短。

審核編輯：郭婷