溫度是一個(gè)模擬量，但數字系統經(jīng)常用到溫度來(lái)完成測量、控制和保護等功能。如果使用合適的技術(shù)和器件，從模擬溫度到數字信息所必需的轉換將很容易。

 

用微控制器(µC)讀取溫度值在理論上很簡(jiǎn)單。利用模數轉換器(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換為數碼，然后由µC讀取即可(圖1)。對于有些內置ADC的控制器能夠簡(jiǎn)化一些設計。ADC需要一個(gè)基準電壓，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(lèi)系統存在下述問(wèn)題：

 

傳感器輸出電壓范圍遠小于A(yíng)DC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。為了能夠達到8位分辨率，或者外加運放來(lái)提高增益，或者降低ADC的基準電壓(這可能會(huì )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(lái)自于A(yíng)DC、放大器失調、增益設置電阻容差和電壓基準等的誤差貢獻綜合起來(lái)考慮，可能會(huì )發(fā)現總誤差已經(jīng)超出了系統所允許的容限。

 

想獲得線(xiàn)性的溫度-代碼傳遞函數，而你正在使用熱敏電阻。熱敏電阻的傳遞函數具有很?chē)乐氐姆蔷€(xiàn)性，不過(guò)，如果只需在很窄的溫度范圍內應用的話(huà)，它還可滿(mǎn)足要求。當然還可以通過(guò)查表方式進(jìn)行線(xiàn)性補償，但系統可能無(wú)法滿(mǎn)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)數超過(guò)了ADC的輸入通道數，就要添加多路復用器，這將增加成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

 

µC的I/O引腳數有限。對于內置ADC的微控制器不存在這個(gè)問(wèn)題，但當采用外部串行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(jiǎn)單接口中，ADC的基準電壓取自電源電壓?？捎媚M溫度傳感器取代熱敏電阻-電阻分壓器。在此情況下，ADC (有可能內置于µC)需要一個(gè)足夠精度的電壓基準。

 

如果采用數字接口的溫度傳感器，上述設計問(wèn)題將得以簡(jiǎn)化。同樣，當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(wèn)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(guò)一個(gè)I/O引腳與µC接口，利用µC的內部計數器測出周期后就可計算出溫度。

 

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。比例常數通過(guò)TS0和TS1引腳在四種值中選擇其一，無(wú)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/溫度比例常數中選擇一個(gè)適當參數。

 

另外一種類(lèi)似的溫度傳感器(MAX6577)輸出方波信號，其頻率/溫度系數能夠在0.0675Hz/°K和4Hz/°K之間設定。這兩種器件不僅簡(jiǎn)化了溫度的測量，而且節省了PCB的實(shí)際成本、元件數目和模擬/數字I/O資源。它們能夠通過(guò)單個(gè)數字I/O引腳將溫度數據傳遞至µC，并且只需增加一個(gè)光電隔離器就可以實(shí)現傳感器和CPU之間的隔離，使它們非常適合于要求電氣隔離的應用。

 

對于要求測量多點(diǎn)溫度的應用，方案選擇更為復雜。將熱敏電阻或傳統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能夠直接將溫度數據傳給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(jiǎn)單的I/O線(xiàn)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(xiàn)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間延時(shí)后，第一片MAX6575拉低I/O線(xiàn)。這個(gè)延時(shí)正比于絕對溫度值，比例常數可通過(guò)MAX6575的兩個(gè)引腳設定。

 

圖3. 采用延時(shí)方式編碼溫度信息，最多至8片MAX6575可通過(guò)一個(gè)數字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(xiàn)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(guò)編程引腳選擇為更大的延時(shí)系數，經(jīng)過(guò)第二個(gè)延時(shí)時(shí)間后拉低I/O線(xiàn)并保持一段由5µs/°K常數決定的間隔。按照這種方式，四片MAX6575被連接到一條I/O線(xiàn)上。除此之外，還可在同一條I/O線(xiàn)上加掛另外四片更長(cháng)延時(shí)的MAX6575。MAX6575L的延時(shí)系數介于5µs/°K至80µs/°K，MAX6575H的延時(shí)系數介于160µs/°K至640µs/°K之間。這樣，多達8片MAX6575能夠安裝在系統周?chē)牟煌恢?，通過(guò)一條I/O線(xiàn)連接至µC。

 

對于有些系統，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(lái)觸發(fā)風(fēng)扇、空調、加熱器或其它環(huán)境控制單元。在系統保護應用中，“過(guò)溫位”用來(lái)觸發(fā)有序的系統停機，避免系統電源切斷造成數據丟失。當然，這個(gè)單位信息也可以通過(guò)上例所述的溫度測量來(lái)得到，但相對于這個(gè)簡(jiǎn)單功能來(lái)講上述方法所需的軟件和硬件開(kāi)銷(xiāo)過(guò)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。大多數此類(lèi)器件的輸出電壓與溫度的關(guān)系與電源電壓無(wú)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而非電源電壓。

 

圖4. 將傳感器和比較器相結合，產(chǎn)生的1位數字輸出能夠警告µC溫度變化超出了預先規定的門(mén)限值。

 

如果將傳感器-比較器組合電路替換為溫度開(kāi)關(guān)，如MAX6501，則系統得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。這種單片器件結合了傳感器、比較器、電壓基準和外部電阻等多種功能。當溫度超過(guò)預設門(mén)限時(shí)，漏極開(kāi)路輸出變低。該系列中還有一些器件在溫度低于設定門(mén)限時(shí)開(kāi)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定門(mén)限時(shí)輸出變高(MAX6502，圖5，或MAX6504)。此外，通過(guò)一個(gè)引腳接V+或接地，可設置2°C或10°C的滯回?，F有的門(mén)限溫度介于-45°C至+115°C之間，間隔10°C。

 

圖5. 當溫度超出預設的門(mén)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(xiàn)上，當一點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度越過(guò)門(mén)限時(shí)通知µC。如果系統必須知道哪些位置溫度越限，則每個(gè)開(kāi)關(guān)必須連接到單獨的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(xiàn)溫度，所以每個(gè)傳感器必須安置在與被監視元件有良好熱耦合的位置。然而，有些情況下，必須監測的溫度無(wú)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)內置的溫度傳感器可以使ASIC出現過(guò)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前給系統提供警告信息。

 

給ASIC管芯增加一個(gè)可外部連接的p-n結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結的正向電流，V1和V2是相應的正向結電壓，k是波耳茲曼常數，T是絕對結溫(單位為開(kāi)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(lái)的噪聲。令人欣慰的是，Maxim的遠端結溫傳感器已將這些精密的模擬單元和簡(jiǎn)單靈活的數字接口集成起來(lái)了。

 

以MAX6654為例，它能夠以8位分辨率(1°C)測量遠端結溫，并通過(guò)SMBus接口將結果傳給µC (圖6)。該器件最初被設計用來(lái)監測PC機內CPU的溫度，它還具有其它一些能夠減輕控制器負擔的特性。例如，MAX6654采用窗口比較器監測遠端結溫，當溫度高于或低于預先從µC寄存器中下載的門(mén)限值時(shí)中斷µC。µC一旦在啟動(dòng)時(shí)設定好溫度門(mén)限后，就可以放手MAX6654，直到溫度出現異常，需要µC處理為止，而不需要不斷對MAX6654進(jìn)行查詢(xún)。

 

圖6. 通過(guò)施加電流并測量正向結電壓，MAX6654能夠測出一個(gè)外部P-N結(位于分立晶體管、ASIC或CPU內)的溫度。

 

MAX6654采用10引腳µMAX®封裝，可靠近待測結放置?？s短待測結和MAX6654之間的連線(xiàn)長(cháng)度有助于降低噪聲干擾。

 

本文來(lái)源于Maxim。