【導讀】溫度是一個模擬量，但數字系統經常用到溫度來完成測量、控制和保護等功能。如果使用合適的技術和器件，從模擬溫度到數字信息所必需的轉換將很容易。本文討論了溫度比較器、PWM輸出溫度傳感器以及遠端二極管(或溫度二極管)溫度傳感器。
溫度是一個模擬量，但數字系統經常用到溫度來完成測量、控制和保護等功能。如果使用合適的技術和器件，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的控制器能夠簡化一些設計。ADC需要一個基準電壓，可由一個外部元件產生。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，這類系統存在下述問題：
傳感器輸出電壓范圍遠小于ADC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，那么有效分辨率實際只有7位。為了能夠達到8位分辨率，或者外加運放來提高增益，或者降低ADC的基準電壓(這可能會使某些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自于ADC、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考慮，可能會發現總誤差已經超出了系統所允許的容限。
想獲得線性的溫度-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嚴重的非線性，不過，如果只需在很窄的溫度范圍內應用的話，它還可滿足要求。當然還可以通過查表方式進行線性補償，但系統可能無法滿足這種方案的資源需求。
ADC輸入通道有限。多點溫度測量時，如果需要測量的點數超過了ADC的輸入通道數，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發時間。
µC的I/O引腳數有限。對于內置ADC的微控制器不存在這個問題，但當采用外部串行ADC時則需要2至4個I/O引腳與µC接口。
圖1. 在這個簡單接口中，ADC的基準電壓取自電源電壓。可用模擬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，上述設計問題將得以簡化。同樣，當ADC輸入通道和µC的I/O引腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能夠解決上述測量問題(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。該器件通過一個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TS0和TS1引腳在四種值中選擇其一，無需外圍元件。
將兩個邏輯輸入引腳分別接地或正電源電壓，可以從四個介于10µs/°K到640µs/°K之間的周期/溫度比例常數中選擇一個適當參數。
另外一種類似的溫度傳感器(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。這兩種器件不僅簡化了溫度的測量，而且節省了PCB的實際成本、元件數目和模擬/數字I/O資源。它們能夠通過單個數字I/O引腳將溫度數據傳遞至µC，并且只需增加一個光電隔離器就可以實現傳感器和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MAX6575掛在同一條µC的I/O輸入上。只需一條簡單的I/O線將8只MAX6575連接至µC即可(圖3)。測量溫度時，µC短暫地拉低I/O線，經過短時間延時后，第一片MAX6575拉低I/O線。這個延時正比于絕對溫度值，比例常數可通過MAX6575的兩個引腳設定。
圖3. 采用延時方式編碼溫度信息，最多至8片MAX6575可通過一個數字I/O引腳將8個溫度信息傳送給µC。
第一個傳感器將信號線拉低，并保持一個正比于溫度(5µs/°K)的間隙后釋放。第二片MAX6575通過編程引腳選擇為更大的延時系數，經過第二個延時時間后拉低I/O線并保持一段由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線上。除此之外，還可在同一條I/O線上加掛另外四片更長延時的MAX6575。MAX6575L的延時系數介于5µs/°K至80µs/°K，MAX6575H的延時系數介于160µs/°K至640µs/°K之間。這樣，多達8片MAX6575能夠安裝在系統周圍的不同位置，通過一條I/O線連接至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。該信息用來觸發風扇、空調、加熱器或其它環境控制單元。在系統保護應用中，“過溫位”用來觸發有序的系統停機，避免系統電源切斷造成數據丟失。當然，這個單位信息也可以通過上例所述的溫度測量來得到，但相對于這個簡單功能來講上述方法所需的軟件和硬件開銷過多。
用一個電壓比較器取代圖1中的ADC，產生的1位輸出可驅動µC的一個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。大多數此類器件的輸出電壓與溫度的關系與電源電壓無關。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限值。
如果將傳感器-比較器組合電路替換為溫度開關，如MAX6501，則系統得到進一步簡化。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。當溫度超過預設門限時，漏極開路輸出變低。該系列中還有一些器件在溫度低于設定門限時開漏輸出變低(MAX6503)，另外一些為推/挽式輸出，在溫度高于或低于設定門限時輸出變高(MAX6502，圖5，或MAX6504)。此外，通過一個引腳接V+或接地，可設置2°C或10°C的滯回。現有的門限溫度介于-45°C至+115°C之間，間隔10°C。
圖5. 當溫度超出預設的門限值時，MAX6502產生邏輯高輸出。
正如MAX6575一樣，也可以將多片MAX6501或MAX6503連接到單條I/O線上，當一點或多點的溫度越過門限時通知µC。如果系統必須知道哪些位置溫度越限，則每個開關必須連接到單獨的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溫度，所以每個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。采用一個內置的溫度傳感器可以使ASIC出現過熱故障時關斷，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(單位為開爾文)，q是電子電荷。
但是，這種測量方法需要產生精密電流比和測量微小電壓差的精密電路，同時還要克服功率ASIC管芯因大幅電平跳變帶來的噪聲。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單靈活的數字接口集成起來了。
以MAX6654為例，它能夠以8位分辨率(1°C)測量遠端結溫，并通過SMBus接口將結果傳給µC (圖6)。該器件最初被設計用來監測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寄存器中下載的門限值時中斷µC。µC一旦在啟動時設定好溫度門限后，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進行查詢。
圖6. 通過施加電流并測量正向結電壓，MAX6654能夠測出一個外部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。縮短待測結和MAX6654之間的連線長度有助于降低噪聲干擾。
本文來源于Maxim。
推薦閱讀：
