那那个指导温度传感器的工作原理

那那个指导温度传感器的工作原理
那那个指导温度传感器的工作原理

那那个指导温度传感器的工作原理
摘要：介绍美国模拟器件公司生产的TMP03和TMP04型串行比率输出式数字温度传感器的性能特点、工作原理、校验方法及使用要点.TMP03/04采用∑-Δ式A/D转换器,能滤除量化噪声并且达到高分辨力指标.
关键词：数字温度传感器 ∑-Δ式A/D转换器 TMP03/04
TMP03和TMP04是美国模拟器件公司（AD）生产的串行比率输出式数字温度传感器,适配80C31、80C51型单片机（μC）或数字信号处理器（DSP）构成测温系统.二者主要区别是TMP03为集电极开路输出;而TMP04为互补型MOS场效应管输出,其输出电平与CMOS/TTL电路兼容.TMP03/04既可以检测温度,也可通过单片机实现温度控制功能,适用于远程温度检测、微机或电子设备的温度监视器及工业过程控制等领域.
1 TMP03/04性能特点
（1）TMP03/04带串行接口,
其输出为经过调制的串行数据.解码后高、低电平持续时间的比率（t1/t2）与温度在比例关系.利用微处理器的定时/计数器接口,很容易计算出摄氏温度或华氏温度值.
(2)芯片内部有一个∑-Δ数字调制器,内含输入采样器、模拟求和器、积分器、比较器和1位数/模转换器（DAC）.∑-Δ调制器配上数字滤波器后,即构成了∑-Δ式A/D转换器.它具有分辨力高、线性度好、成本低、抑制混叠噪声和量化噪声的能力强等显著优点,特别适用于微传感器系统.
（3）属于三端器件,其外围电路非常简单,数据输出端（DOUT）能直接连到单片机的输入口.若经过光耦合器隔离后,还适合检测远程温度.测温范围一般为-25～+100℃,测温精度为±1.5℃（典型值）.使用时不需要校准.
（4）低电压供电,微功能.电源电压范围是+4.5～+7V.采用+5V供电时,电源电流不超过1.3mA.最大功耗仅为6.5mW.
（5）TMP03和TMP04的数字输出的电路结构不同.TMP03的输出极采用一只集电极开路的NPN型晶体管作为大电流驱动器,其输出电流可达5mA;TMP04的输出级则采用互补型MOSFET电路,其输出电平与CMOS/TTL电路兼容.
2 TMP03/04工作原理
TMP03/04有三种封装形式：TO-92、SO-8和RU-8,引脚排列如图1所示.其中,U+接电源的正极,GND为公共地.DOUT为串行数据输出端.
TMO03/074的内部框图如图2所示.主要包括4大部分：（1）基准电压源和温度传感器.其中,基准电压源的输出电压接至1位的DAC（图中未画）,温度传感器输出的与热力学温度成正比的UPTAT电压,接到求和器的一个输入端.（2）∑-Δ调制器,
内含模式求和器（又称加法器）、积分器、比较器（亦称量化器）和I位数/模转换器（1bit DAC）.（3）数字滤波器.（4）高速时钟振荡器.由模拟求和器、积分器、比较器和1位DAC构成一个闭环系统,比较器还起到负反馈作用.它能根据输入温度信号的变化情况,来改变比较器输出信号的占空因数,通过负反馈电路使积分器输出电压UINT为最低.上述电路也属于电荷平衡式转换器,经过多次快速比较之后,输出的数字量就与被测温度成比例关系.
2.1 ∑-Δ式A/D转换器
近年来,随着超大规模集成电路（VLSI）技术的发展,采用VLSI工艺制成的高性能∑-Δ式A/D转换器,不仅已成为数字通信、数字音响等领域的主流产品,还被用于新型数字温度传感器中.∑-Δ式A/D转换器由∑-Δ数字调制器和数字滤波器组成.∑-Δ式A/D转换器以很高的采样速率和很低的采样分辨力（1位）,将模拟信号转换成数字信号,再使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法来提高有效分辨力.一阶∑-Δ式A/D转换器中的模拟电路非常简单,只需1个积分器、1个模拟求和器、1个比较器.
∑-Δ式A/D转换器采用了“过采样”（oversampling）技术.设采样频率为fs,过采样,则量化噪声的频谱就位于DC（直流）～Kfs/2之间.通过对量化噪声的频谱整形,还可使绝大部分噪声位于fs/2～Kfs/2之间,仅有很少一部分留在DC（直流）～fs/2范围内.再利用数字滤波器滤掉绝大部分噪声,只保留有用的信号.这样,不仅提高了信噪比,而且能用低分辨力A/D转换器来达到高分辨力的指标.当比较器的采样频率远高于模拟输入信号频率时,就称之为“过采样”.利用过采样技术可将已转换成数字量的输入信号频谱（低频段）与量化噪声频谱（高频段）分离开.这样再通过数字低通滤波器,就很容易滤除量化噪声及混叠噪声,获得高信噪比、高分辨力的数字信号.
综上所述,∑-Δ式A/D转换器兼有积分式A/D转换器和反馈比较式A/D转换器的优点：对串模干扰的抑制能力很强,而对外围元件的精度要求较低;由于采用了数字反馈方式,因此比较器的失调电压及零点漂移不会影响转换精度.此外,∑-Δ或A/D转换器还能滤除量化噪声并且达到高分辨力指标,这更是其显著特点.
2.2 TMP03/04的测温原理
TMP03/04是将温度传感器、∑-Δ调制器和数字滤波器集成到同一芯片上而制成的.由于VLSI的工艺和技术日益成熟,因此能大大降低器件的成本,开发出高性价比的数字温度传感器.TMP03/04的分辨力为12位,还可配带16位计数器的微处理器.内部比较器的调输出是经过电路编码的串行数据,在通过μP解码后,即可获得摄氏（或华氏）温度数据.采用电路编码技术的优点是便于单线传输数据,并且不依赖于时钟,能避免引入时钟误差.
TMP03/04的工作原理是将被测温度的模拟量转换成数字量,并且把数字化信号编码成时间比率（t1/t2）的形式.T1和t2在时间上是连续的,用同一个时钟即可获得二者的比率.因此温度仅与时间比率有关,而与时钟频率无关,即使时钟频率发生波动,也会在解码过程中被数字滤波器滤掉.
TMP03/04的输出信号为矩形波,当=+25℃时,矩形波的标称频率为35Hz.输出波形如图3所示.图中的t1、t2分别代表1位数据波形中的高、低电平持续时间.被测温度与t1/t2的比率有关：
式（1）被测温度的单位为摄氏度（℃）,式（2）被测温度的单位为华氏度（°F）.
举例说明,当=0℃时,t1/t2=58.8%,代入（1）式中计算出=235℃-235.2℃=0℃.实际上,只需将DOUT信号加至微处理器的定时/计数器接口,利用软件很容易计算出温值.定时/计数器最大效计数值与量化误差的对应关系如表1所列.不难看出,μP的计数值越大,时钟频率越高,量化误差就愈小.
表1 最大有效计数值与量化误差的对应关系
uP中的计数器 最高温度max/C 最高计数频率fCP max/kHz +25C时的量化误差 +77F时的量化误差
位数 最大计数值Nmax
12 4 096 +125 94 0.284 0.512
13 8 192 +125 188 0.142 0.256
14 16 384 +125 376 0.071 0.128
3 TMP03/04校准方法及使用要点
3.1 TMP03/04的校准方法
TMP03/04在出厂前已对精度和线性度进行了激光修正,一般情况下无须再进行校准.若用户确实需要,也可以进行单点校准.具体方法是在+25℃的室温下,分别记录实际温度值A和温度传感器的测量值B,再根据式（3）求出TMP03的偏移常数K：
k=235+(A-B) (3)
对于TMP04,应将式（3）中的常数改为455.
3.2 定时/计数器的优化设计
使用定时/计数器（以下简称计数器）时,可按下述原则来计算t2、fcpmax和量化误差r.
（1）计算t2
t1是固定的,其标称值为10ms,最大值t1max