全面了解數(shù)字溫度傳感器規(guī)范

為了實現(xiàn)最佳性能并確保系統(tǒng)穩(wěn)健性，就必須要進行系統(tǒng)監(jiān)控測量。其中一個必需的典型測量項目就是環(huán)境溫度。使用簡單的數(shù)字溫度傳感器進行該測量將為系統(tǒng)設(shè)計人員提供如下保證：組件正常工作，系統(tǒng)處于其性能或校準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，不會使用戶遇到危險。

測量結(jié)束后，通常由系統(tǒng)中的微控制器對環(huán)境溫度進行相應(yīng)調(diào)整。系統(tǒng)監(jiān)控微控制器可以改變風(fēng)扇速度、關(guān)閉非必要系統(tǒng)進程或使系統(tǒng)智能進入省電模式。系統(tǒng)設(shè)計人員需全面正確地了解數(shù)字溫度傳感器規(guī)范以設(shè)計系統(tǒng)，并就測量結(jié)果采取最佳措施。另外，全面了解傳感器規(guī)范將確保在選擇數(shù)字溫度傳感器器件時，可做到權(quán)衡得當(dāng)。

當(dāng)選擇數(shù)字溫度傳感器（也稱作串行輸出溫度傳感器）時，應(yīng)考慮的主要規(guī)范包括精度、分辨率、功耗、接口和封裝。

圖1 數(shù)字溫度傳感器總體結(jié)構(gòu)圖

精度

數(shù)字溫度傳感器精度表示傳感器讀數(shù)和系統(tǒng)實際溫度之間的誤差。在產(chǎn)品說明書中，精度指標(biāo)和溫度范圍相對應(yīng)。通常針對不同溫度范圍，有數(shù)個最高精度指標(biāo)。對于-25～+100℃溫度范圍來說，±2℃精度是很常見的。Analog Device公司的ADT75、Maxim公司的DS75、National公司的LM75以及TI的TMP75均具有這種精度節(jié)點。但是，還有更高精度的器件。例如，TI的TMP275在20～100℃溫度范圍內(nèi)的精度為±0.5℃。

圖2 TMP275溫度誤差與溫度對應(yīng)關(guān)系的典型性能曲線

雖然溫度精度指標(biāo)是非常重要的，然而對系統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用來說，它并非一定是最為關(guān)鍵的因素。這些應(yīng)用更重視檢測溫度變化，而不是確定溫度絕對值。

分辨率

數(shù)字溫度傳感器分辨率是描述傳感器可檢測溫度變化細微程度的指標(biāo)。集成于封裝芯片的溫度傳感器本身就是一種模擬傳感器。因此所有數(shù)字溫度傳感器均有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC分辨率將決定器件的總體分辨率，分辨率越高，可檢測到的溫度變化就越細微。

在產(chǎn)品說明書中，分辨率是采用位數(shù)和攝氏溫度值來表示的。當(dāng)采用位數(shù)來考慮分辨率時，必須多加注意，因為該值可能包括符號位，也可能不包括符號位。此外，該器件的內(nèi)部電路可能以不同于傳感器總體溫度范圍的值，來確定內(nèi)部ADC的滿量程范圍。以攝氏度來表示的分辨率是一種更直接分辨率值，采用該數(shù)值可進行設(shè)計分析。

現(xiàn)有器件的分辨率從1℃到0.03125℃不等。National公司的LM75通常是一種9位溫度傳感器。關(guān)于前一點，LM75的全工作范圍是-55～+125℃。因此您可能希望分辨率是0.352℃。實際上，該分辨率被規(guī)定為0.5℃。TI的TMP102通常是12位器件，其分辨率為0.0625℃。即使環(huán)境溫度發(fā)生微小變化其也會提醒微控制器采取相應(yīng)的措施。

功耗

大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員都非常關(guān)心系統(tǒng)的總功耗，電池供電系統(tǒng)尤為如此。對于這些應(yīng)用領(lǐng)域使用的數(shù)字溫度傳感器來說，規(guī)定功耗必須在整個系統(tǒng)功率預(yù)算以下。現(xiàn)在市場上的許多數(shù)字溫度傳感器處于工作狀態(tài)時，僅消耗微安電流。市場上還有一些具有斷電引腳或斷電寄存器功能的其他器件。它們在斷電狀態(tài)下的耗電可能遠不到1mA。因為系統(tǒng)監(jiān)控活動通常是非連續(xù)的，因此設(shè)計人員可充分利用“單觸發(fā)”模式的優(yōu)勢（該模式也是一些數(shù)字溫度傳感器的功能之一）。在“單觸發(fā)”模式中，該器件的上電時間剛好完成測量，接著隨即恢復(fù)斷電模式。利用這種功能，時間平均耗電量可降至最低。

National公司的LM70數(shù)字溫度傳感器就是一款采用斷電寄存器的中等低功耗器件。運行狀態(tài)下的最大靜態(tài)電流指標(biāo)是490μA，但當(dāng)該器件進入關(guān)機模式時，電流消耗通常降至12μA。TI的TMP102采用了“單觸發(fā)”模式，因此設(shè)計人員可輕松地使該器件處于斷電狀態(tài)，其電流消耗通常低于1μA。即使處于工作狀態(tài)時，該器件也僅消耗10μA靜態(tài)電流。

考慮系統(tǒng)功耗時，另一個因素是數(shù)字溫度傳感器的電源電壓要求。大多數(shù)溫度傳感器的性能指標(biāo)要求的供電電壓范圍為2.7～5.5V。有幾款器件（如Maxim公司的DS75LX）則專門適于低電壓應(yīng)用，其規(guī)范要求的電壓范圍是1.7V～3.7V。TMP102的性能要求電壓可低至1.4V。

接口

大多數(shù)數(shù)字溫度傳感器都具有下列兩種接口中的一種：I2C或SPI。I2C接口是一種兩線總線，可用于與監(jiān)控器件進行通信的多種系統(tǒng)。它通常以400kb/s 的速度運行，但如果采用有源終端電路，則可以 3.4Mb/s的速度運行。該總線要求單線具有上拉電阻，這使材料清單成本增加很小。利用溫度傳感器器件上的引腳可將多個傳感器裝在同一條總線上。一些器件可在出廠時擁有不同的地址，便于通過一臺I2C主控制器來控制數(shù)個相同的器件。當(dāng)需要在系統(tǒng)內(nèi)若干個點進行溫度測量時，其作用就顯現(xiàn)出來了。

SPI是一種三線或四線接口，具體情況視器件間需要單向通信還是雙向通信而定。SPI不支持器件尋址，因此系統(tǒng)內(nèi)的每個器件都必須擁有與之相連的專門數(shù)字線路。來自主系統(tǒng)的這條專線路被稱作芯片選擇、芯片使能或從屬選擇，它支持主系統(tǒng)與每個器件進行單獨通信。

市場上現(xiàn)有的幾款數(shù)字溫度傳感器采用單線接口。這種由Maxim公司最早推出的接口通常被稱作“單線”接口。器件、溫度傳感器等使用局限性限制了這種接口的應(yīng)用。Maxim公司的DS18B20就是一款利用“單線”接口的典型數(shù)字溫度傳感器。

封裝

數(shù)字溫度傳感器廠商提供了多種封裝選擇，以方便系統(tǒng)設(shè)計人員可隨時找到適于其系統(tǒng)空間限制的封裝?，F(xiàn)有封裝類型從8引腳SOIC到芯片級封裝(CSP)。當(dāng)尺寸限制不是系統(tǒng)設(shè)計的主要因素時，較大封裝當(dāng)然是合適的。CSP 更適于空間有限的應(yīng)用（如手機），但在生產(chǎn)方面可能存在困難。新上市的器件為采用SOT563封裝的器件系列（如TMP102）。它們在實際尺寸方面和CSP相似，甚至高度或Z尺寸方面也很相似。但因其是封裝的有引線器件，因此它們在生產(chǎn)環(huán)境中更穩(wěn)健。
 
結(jié)論

在規(guī)定限值內(nèi)運行單個組件是先進系統(tǒng)設(shè)計的部分要求。要使高度集成的先進系統(tǒng)始終保持最佳運行需要進行系統(tǒng)監(jiān)控。具體來說，監(jiān)控并維持最佳系統(tǒng)溫度將決定系統(tǒng)是否能保持穩(wěn)定。系統(tǒng)臨界溫度測量首先從選擇正確的數(shù)字溫度傳感器開始。只要從精度、分辨率、功耗、接口和封裝要求考慮，大多數(shù)應(yīng)用均可找到合適的數(shù)字溫度傳感器。