第14章集成式温度传感器概要.ppt

单个晶体管的基极－发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值线性关系，但仍存在非线性偏差，温度范围越大，引起的非线性误差就越大为了进一步减小这种非线性误差，集成温度传感器采用对管差分电路，使得在任何温度下，两对管基极－发射极电压之差与温度保持线性关系集成温度传感器是以晶体管作为感温元件，并将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的传感器下面介绍两款有代表性的集成温度传感器14.1 AD590集成式温度传感器 AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源式温度传感器 1．基本原理和特性 AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，它在被测温度一定时相当于一个恒流源该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有供电电源宽的特性即使电源在4～30V变化，其电流只是在1μA以下作微小变化1）AD590的主特性参数 工作电压：4～30V； 工作温度：-55℃～+150℃； 正向电压：+44V； 反向电压：-20V； 灵敏度：1µA/K； 精度高：AD590 共有 I、J、K、L、M 5挡，其中M挡精度最高，在-55℃～+150℃范围内非线性误差为±0.3℃。

2）工作原理 在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号其基本电路如右图所示图14-1 感温部分核心电路,利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路其中VT1、VT2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等VT3、VT4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但VT3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是VT4的n倍 VT3和VT4的发射结电压 和 ，经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为 因此，电流I1为,式中x=8这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I（电流）值图14-2 AD590内部电路,前面所示的是AD590的内部电路，图中的VT1～VT4相当于图14-1中的VT1、VT2，而VT9，VT11相当于图14-1的VT3、VT4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用VT7、VT8为对称的Wilson电路，用来提高阻抗VT5、VT12和VT10为启动电路，其中VT5为恒定偏置二极管VT6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称R1、R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗VT1～VT4是为热效应而设计的连接方式而C1和R4则可用来防止寄生振荡该电路的设计使得VT9、VT10、VT11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3VT9和VT11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出,,,R6上只有VT9的发射极电流，而R5上除了来自VT10的发射极电流外，还有来自VT11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3根据上式不难看出，要想改变 ，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5 的效果和减小R6是一样的，其结果都会使 减小，不过，改变R5对 的影响更为显著，因为它前面的系数较大实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在150℃之下使总电流I达到1μA／K2．典型应用 （1）数字温度表 AD590温度表原理图由于温度每升高1℃，AD590就增加1μA的电流量，从而产生1μA×10kΩ=10mV的电压。

而0℃(等于273K)时，输出电流273μA，273μA×10kΩ=2.73V的电压若输出电压为XXV，则(XXV-2.73V)/10mV得到要测的温度图14-3 原理图,（2）差分温度测量 两个相同参数的AD590分别置于两个被检测点B1、B2图中的R1、R2通常是相同的，R3＋RF通常比R1要大得多通过计算就可以得到两点的温度差图14-4 测量温差电路,（3）电流变换 下面是一个电流变换器的例子，如图14-5所示，被应用于40V/1kΩ的系统中，电流变化范围是4～20mA，可以测量温度的范围比较小在这个例子中，AD590的输出1uA/K被放大为1mA/℃，同时4mA代表17℃，20mA代表33℃， 是校准电阻，使电路出一个合适的电流值只要选择合适的电阻，在AD590的测量范围内的任何温度都可以测量图14-5 AD590的电流变换器应用,14.2 DS18B20 集成式温度传感器 DS18B20数字温度计提供9位二进制温度读数指示器件的温度信息，经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线（和地线），DS1820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。

因为每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DS18B20的测量范围从-55℃～+125℃，增量值为0.5℃，可在1s（典型值）内把温度变换成数字1．主要特征 ● 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信 ● 简单的多点分布应用 ● 可通过数据线供电 ● 测温范围-55℃～+125℃，以0.5℃递增 ● 温度以9位数字量读出 ● 温度数字量转换时间200ms（典型值） ● 用户可定义非易失性温度报警设置 ● 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统2．工作原理 （1）引脚说明 引脚图如图14-6所示，表14-1列出了DS18B20的引脚说明图14-6 DS18B20引脚图 GND—地；DQ—数据I/O；VDD—可选VDD；NC—空脚,表14-1 DS18B20的引脚说明,（2）概况 DS18B20有3个主要数字部件：①64位ROM；②温度传感器；③非易失性温度报警触发器TH和TL器件用如下方式从单线通信线上汲取能量：在信号线处于高电平期间，把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间，消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。

DS18B20也可用外部5V电源供电图14-7 DS18B20的方框图,DS18B20依靠一个单线端口通信在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：①读ROM；②匹配ROM；③搜索ROM；④跳过ROM；⑤报警搜索这些命令对每个器件的ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出每个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条一条控制操作命令指示DS18B20完成一次温度测量测量结果放在DS18B20的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出温度报警触发器TH和TL 各由一个EEPROM字节构成如果没有对DS18B20使用报警搜索命令，这些寄存器可以作为一般用途的用户存储器使用可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写3）两种供电方式 寄生电源供电如图14-8所示这个电路会在I/O或VDD引脚处于高电平时“偷”能量。

当有特定的时间和电压需求时（见“单线总线系统”部分），I/O要提供足够的能量寄生电源有两个好处：①进行远距离测温时，无需本地电源；②可以在没有常规电源的条件下读ROM要想使DS18B20能够进行精确的温度转换，I/O线必须在转换期间保证供电由于DS18B20的工作电流达到1mA，所以仅靠5kΩ上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS18B20挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐图14-8 DS18B20转换期间的强上拉供电,有两种方法能够使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应第一种方法，当进行温度转换或拷贝到EEPROM存储器操作时，给I/O线提供一个强上拉用MOSFET把I/O线直接拉到电源上就可以实现在发出任何涉及拷贝到EEPROM存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多10μs之内把I/O线转换到强上拉使用寄生电源方式时，VDD引脚必须接地另一种给DS18B20供电的方法是从VDD引脚接入一个外部电源，如图14-9所示这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。

另外，在单线总线上可以挂任意多片DS18B20，而且如果它们都使用外部电源的话，就可以先发一个Skip ROM命令，再接一个ConvertT命令，让它们同时进行温度转换注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空图14-9 VDD供电,温度高于100℃时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大，通信可能无法进行对于总线控制器不知道总线上的DS18B20是用寄生电源还是用外部电源的情况，DS18B20预备了一种信号指示电源的使用情况总线控制器发出一个Skip ROM协议，然后发出读电源命令，如果是寄生电源，DS18B20在单线总线上发回“0”，如果是从VDD供电，则发回“1”，这样总线控制器就知道总线上是否需要DS18B20强上拉如果控制器接收到一个“0”，它就知道必须在温度转换期间给I/O线提供强上拉这个命令协议详见“存储器操作命令”部分4）测温操作 DS18B20通过一种片上温度测量技术来测量温度，温度数据表列于表14-2中 DS18B20是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。

计数器被预置到对应于-55℃的一个值如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性，然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程 斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值DS18B20内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力温度以16 bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表14-2给出了温度值和输出数据的关系数据通过单线接口以串行方式传输DS18B20测温范围-55℃～+125℃，以0.5℃递增表14-2 温度/数据表,*电源复位时，寄存器中的值为+85℃最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了示于表14-2的16bit温度读数5）报警搜索操作 DS18B20完成一次温度转换后，就拿温度值和存储在TH和TL中的值进行比较。

因为这些寄存器是8位的，所以0.5℃位被忽略不计TH或TL的最高有效位直接对应16位温度寄存器的符号位如果测得的温度高于TH或低于TL，器件内部就会置位一个报警标识每进行一次测温就对这个标识进行一次更新当报警标识置位时，DS18B20会对报警搜索命令有反应这样就允许许多DS18B20并联在一起同时测温，如果某个地方的温度超过了限定值，报警的器件就会被立即识别出来并读取，而不用读。