TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器的工作原理

摘要：介紹美國模擬器件公司生產(chǎn)的TMP03和TMP04型串行比率輸出式數(shù)字溫度傳感器的性能特點(diǎn)、工作原理、校驗(yàn)方法及使用要點(diǎn)。TMP03/04采用∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器,能濾除量化噪聲并且達(dá)到高分辨力指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器 ∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器 TMP03/04

　　　TMP03和TMP04是美國模擬器件公司（AD）生產(chǎn)的串行比率輸出式數(shù)字溫度傳感器,適配80C31、80C51型單片機(jī)（μC）或數(shù)字信號處理器（DSP）構(gòu)成測溫系統(tǒng)。二者主要區(qū)別是TMP03為集電極開路輸出;而TMP04為互補(bǔ)型MOS場效應(yīng)管輸出,其輸出電平與CMOS/TTL電路兼容。TMP03/04既可以檢測溫度,也可通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制功能,適用于遠(yuǎn)程溫度檢測、微機(jī)或電子設(shè)備的溫度監(jiān)視器及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。

1 TMP03/04性能特點(diǎn)

（1）TMP03/04帶串行接口,

　　　其輸出為經(jīng)過調(diào)制的串行數(shù)據(jù)。解碼后高、低電平持續(xù)時間的比率（t1/t2）與溫度在比例關(guān)系。利用微處理器的定時/計數(shù)器接口,很容易計算出攝氏溫度或華氏溫度值。

(2)芯片內(nèi)部有一個∑-Δ數(shù)字調(diào)制器,內(nèi)含輸入采樣器、模擬求和器、積分器、比較器和1位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）。∑-Δ調(diào)制器配上數(shù)字濾波器后,即構(gòu)成了∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器。它具有分辨力高、線性度好、成本低、抑制混疊噪聲和量化噪聲的能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn),特別適用于微傳感器系統(tǒng)。

（3）屬于三端器件,其外圍電路非常簡單,數(shù)據(jù)輸出端（DOUT）能直接連到單片機(jī)的輸入口。若經(jīng)過光耦合器隔離后,還適合檢測遠(yuǎn)程溫度。測溫范圍一般為-25～+100℃,測溫精度為±1.5℃（典型值）。使用時不需要校準(zhǔn)。

（4）低電壓供電,微功能。電源電壓范圍是+4.5～+7V。采用+5V供電時,電源電流不超過1.3mA。最大功耗僅為6.5mW。

（5）TMP03和TMP04的數(shù)字輸出的電路結(jié)構(gòu)不同。TMP03的輸出極采用一只集電極開路的NPN型晶體管作為大電流驅(qū)動器,其輸出電流可達(dá)5mA;TMP04的輸出級則采用互補(bǔ)型MOSFET電路,其輸出電平與CMOS/TTL電路兼容。

2 TMP03/04工作原理

　　　TMP03/04有三種封裝形式：TO-92、SO-8和RU-8,引腳排列如圖1所示。其中,U+接電源的正極,GND為公共地。DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端。

　　　TMO03/074的內(nèi)部框圖如圖2所示。主要包括4大部分：（1）基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器。其中,基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓接至1位的DAC（圖中未畫）,溫度傳感器輸出的與熱力學(xué)溫度成正比的UPTAT電壓,接到求和器的一個輸入端。（2）∑-Δ調(diào)制器,

　　　內(nèi)含模式求和器（又稱加法器）、積分器、比較器（亦稱量化器）和I位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（1bit DAC）。（3）數(shù)字濾波器。（4）高速時鐘振蕩器。由模擬求和器、積分器、比較器和1位DAC構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng),比較器還起到負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｋ芨鶕?jù)輸入溫度信號的變化情況,來改變比較器輸出信號的占空因數(shù),通過負(fù)反饋電路使積分器輸出電壓UINT為最低。上述電路也屬于電荷平衡式轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過多次快速比較之后,輸出的數(shù)字量就與被測溫度成比例關(guān)系。

2.1 ∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器

　　　近年來,隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的發(fā)展,采用VLSI工藝制成的高性能∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器,不僅已成為數(shù)字通信、數(shù)字音響等領(lǐng)域的主流產(chǎn)品,還被用于新型數(shù)字溫度傳感器中。∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器由∑-Δ數(shù)字調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成。∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力（1位）,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法來提高有效分辨力。一階∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器中的模擬電路非常簡單,只需1個積分器、1個模擬求和器、1個比較器。

　　　∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器采用了“過采樣”（oversampling）技術(shù)。設(shè)采樣頻率為fs,過采樣,則量化噪聲的頻譜就位于DC（直流）～Kfs/2之間。通過對量化噪聲的頻譜整形,還可使絕大部分噪聲位于fs/2～Kfs/2之間,僅有很少一部分留在DC（直流）～fs/2范圍內(nèi)。再利用數(shù)字濾波器濾掉絕大部分噪聲,只保留有用的信號。這樣,不僅提高了信噪比,而且能用低分辨力A/D轉(zhuǎn)換器來達(dá)到高分辨力的指標(biāo)。當(dāng)比較器的采樣頻率遠(yuǎn)高于模擬輸入信號頻率時,就稱之為“過采樣”。利用過采樣技術(shù)可將已轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸入信號頻譜（低頻段）與量化噪聲頻譜（高頻段）分離開。這樣再通過數(shù)字低通濾波器,就很容易濾除量化噪聲及混疊噪聲,獲得高信噪比、高分辨力的數(shù)字信號。

　　　綜上所述,∑-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器兼有積分式A/D轉(zhuǎn)換器和反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：對串模干擾的抑制能力很強(qiáng),而對外圍元件的精度要求較低;由于采用了數(shù)字反饋方式,因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂移不會影響轉(zhuǎn)換精度。此外,∑-Δ或A/D轉(zhuǎn)換器還能濾除量化噪聲并且達(dá)到高分辨力指標(biāo),這更是其顯著特點(diǎn)。

2.2 TMP03/04的測溫原理

　　　TMP03/04是將溫度傳感器、∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器集成到同一芯片上而制成的。由于VLSI的工藝和技術(shù)日益成熟,因此能大大降低器件的成本,開發(fā)出高性價比的數(shù)字溫度傳感器。TMP03/04的分辨力為12位,還可配帶16位計數(shù)器的微處理器。內(nèi)部比較器的調(diào)輸出是經(jīng)過電路編碼的串行數(shù)據(jù),在通過μP解碼后,即可獲得攝氏（或華氏）溫度數(shù)據(jù)。采用電路編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是便于單線傳輸數(shù)據(jù),并且不依賴于時鐘,能避免引入時鐘誤差。

　　　TMP03/04的工作原理是將被測溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并且把數(shù)字化信號編碼成時間比率（t1/t2）的形式。T1和t2在時間上是連續(xù)的,用同一個時鐘即可獲得二者的比率。因此溫度僅與時間比率有關(guān),而與時鐘頻率無關(guān),即使時鐘頻率發(fā)生波動,也會在解碼過程中被數(shù)字濾波器濾掉。

　　　TMP03/04的輸出信號為矩形波,當(dāng)=+25℃時,矩形波的標(biāo)稱頻率為35Hz。輸出波形如圖3所示。圖中的t1、t2分別代表1位數(shù)據(jù)波形中的高、低電平持續(xù)時間。被測溫度與t1/t2的比率有關(guān)：

式（1）被測溫度的單位為攝氏度（℃）,式（2）被測溫度的單位為華氏度（°F）。

　　　舉例說明,當(dāng)=0℃時,t1/t2=58.8%,代入（1）式中計算出=235℃-235.2℃=0℃。實(shí)際上,只需將DOUT信號加至微處理器的定時/計數(shù)器接口,利用軟件很容易計算出溫值。定時/計數(shù)器最大效計數(shù)值與量化誤差的對應(yīng)關(guān)系如表1所列。不難看出,μP的計數(shù)值越大,時鐘頻率越高,量化誤差就愈小。

表1 最大有效計數(shù)值與量化誤差的對應(yīng)關(guān)系

3 TMP03/04校準(zhǔn)方法及使用要點(diǎn)

3.1 TMP03/04的校準(zhǔn)方法

　　　TMP03/04在出廠前已對精度和線性度進(jìn)行了激光修正,一般情況下無須再進(jìn)行校準(zhǔn)。若用戶確實(shí)需要,也可以進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)。具體方法是在+25℃的室溫下,分別記錄實(shí)際溫度值A(chǔ)和溫度傳感器的測量值B,再根據(jù)式（3）求出TMP03的偏移常數(shù)K：

k=235+(A-B) (3)

對于TMP04,應(yīng)將式（3）中的常數(shù)改為455。

3.2 定時/計數(shù)器的優(yōu)化設(shè)計

　　　使用定時/計數(shù)器（以下簡稱計數(shù)器）時,可按下述原則來計算t2、fcpmax和量化誤差r。

（1）計算t2

　　　t1是固定的,其標(biāo)稱值為10ms,最大值t1max<10（1+20%）ms=12ms。T2隨被測溫度而變化,最大值t2max=44ms,對應(yīng)于最高溫度max=125℃。

對于其他溫度,可用下式計算出t2值：

（2）計算fCPmax

　　　所選最高計數(shù)頻率必須合適,才能防止計數(shù)器在t2時間內(nèi)溢出。令最大計數(shù)值為Nmax,計算fCP