集成溫度傳感器

1、設(shè)計原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點：輸出線性好、測量精度高, 傳感驅(qū)動電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價格便宜,故在測溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。 本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。第四節(jié)第四節(jié) ICIC溫度傳感器溫度傳感器一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學溫

2、度，即1A/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達10M。這為遠距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。 電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器

3、就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。 利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測溫原理（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在330k范圍內(nèi)。這時靈敏度可達109110mV/，在-1080范圍內(nèi)基本誤差不1。輸出AN6701 (a)1243RC515VAN6701輸出 (c)10kRC3124515V -+100k10k

4、100k AN6701 (b)213輸出4515VRC三、IC溫度傳感器的主要特性輸出電壓/V02468101220020406080RC=100kRC=10kRC=1k溫度/CAN6701S的輸入特性在-1080范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過0.5%。若在25時借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在330k間，相應(yīng)的靈敏度為109110mV/。校準后，在-1080范圍內(nèi)，基本誤差不超過1。這種集成傳感器在靜止空氣中的時間常數(shù)為24s，在流動空氣中為11s。電源電壓在515V間變化，所引起的測溫誤差一般不超過2。整個集成電路的電流值一

5、般為0.4mA，最大不超過0.8mA（RL=時）。（二）電流型溫度傳感器1伏安特性工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，ITk，即KT標定因子，AD590的標定因子為1A/ I = KT TK 4V30V0I/AU/VAD590伏安特性曲線-55+25+150218298423 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590溫度特性曲線2溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和，省略非線性項后則有:Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見，當溫度為0時，輸出電流為273.2A。在常溫25時，標定輸出電流為298.2A。I=KTTc273.23AD590的非線性150

6、55T/C0.30.30在實際應(yīng)用中，T 通過硬件或軟件進行補償校正，使測溫精度達0.1。其次，AD590恒流輸出，具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗。當電源電壓由5V向10V變化時，其電流變化僅為0.2A/V。長時間漂移最大為0.1，反向基極漏電流小于10pA。55100，T遞增，100150則是遞降。T最大可達3，最小T0.3，按檔級分等。T/CAD590非線性誤差曲線美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)?/p>

7、入DS1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。 （三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 、 DS1820DS1820的特性的特性u 單線接口：僅需一根口線與MCU連接；u 無需外圍元件；u 由總線提供電源；u 測溫范圍為-55125，精度為0.5；u 九位溫度讀數(shù)；u A/D變換時間為200ms；u 用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報警值，且能夠識別具體報警傳感器。 DS 1820123GND I/O VDD(a) PR35封裝 DS182

8、0的管腳排列DS182012345678I/OGND(b) SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2 2、 DS1820DS1820引腳及功能引腳及功能 GND：地； VDD：電源電壓 I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出腳(單線接口，可作寄生供電) 3 3 、DS1820DS1820的工作原理的工作原理 圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源寄生電源、溫溫度傳感器度傳感器、64位激光位激光ROM單線接口單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。存儲器控制邏

9、輯64bitROM和單線接口電源檢測溫度傳感器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器8位CRC觸發(fā)器存儲器DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖寄生電源由兩個二極管和寄生電容組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時,電源端接地，器件從總線上獲取電源。在I/O線呈低電平時，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向器件供電。寄生電源兩個優(yōu)點：n檢測遠程溫度時無需本地電源；n缺少正常電源時也能讀ROM。若采用外部電源,則通過二極管向器件供電。(1 ) (1 ) 寄生電源寄生電源DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當計數(shù)門打開時，DS1820對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由

10、高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號點1位），但因符號位擴展成高8位，故以16位補碼形式讀出，表3.4-1給出了DS1820溫度和數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系。溫度/輸出的二進制碼對應(yīng)的十六進制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010

11、010FF92HDS1820溫度與數(shù)字量對應(yīng)關(guān)系表溫度與數(shù)字量對應(yīng)關(guān)系表 溫度測量電路斜率累加器計數(shù)器1計數(shù)器2低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振=0=0預(yù)置溫度寄存器預(yù)置比較停止置位/清零加1(2) (2) 溫度測量原理溫度測量原理DS1820測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)，如圖。64位ROM的結(jié)構(gòu)如下： 開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進行通信的原因。主機操作ROM的命令有五種，如表所列指 令說 明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號匹配ROM（55H）繼讀完64位

12、序列號的一個命令，用于多個DS1820時定位跳過ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準備報警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對此命令作出響應(yīng)(3) 64(3) 64位激光位激光ROMROM DS1820存貯控制命令存貯控制命令指 令說 明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動在線DS1820做溫度A/D轉(zhuǎn)換讀數(shù)據(jù)（BEH）從高速暫存器讀9bits溫度值和CRC值寫數(shù)據(jù)（4EH）將數(shù)據(jù)寫入高速暫存器的第0和第1字節(jié)中復(fù)制（48H）將高速暫存器中第2和第3字節(jié)復(fù)制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫入高速暫存器

13、中第2和第3字節(jié)讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式 DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進行。DS1820工作工程中的協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數(shù)據(jù)。 溫度檢測系統(tǒng)原理溫度檢測系統(tǒng)原理 由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時掛接多片的顯著特點，可同時測量多點的溫度，而且DS1820的連接線可以很長，抗干擾能力強，便于遠距離測量，因而得到了廣泛應(yīng)用。 采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng) 89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVD

14、DP1.1作輸出口用，相當于TxP1.2作輸入口用，相當于Rx 溫度檢測系統(tǒng)原理圖如圖所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，我們用一個MOSFET管和89C51的一個I/O口（P1.0）來完成對DS1820總線的上拉。當DS1820處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10s。采用寄生電源供電方式時VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通過試驗我們發(fā)現(xiàn)此種方法可掛接DS1820數(shù)十片，距離可達到米，而用一個口時僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時，由于讀寫在操作上是分開的，故不存在信號競爭問題。 DS1820采用了一種單線總線系統(tǒng)，即可用一根線連接主從器件，DS1820作為從屬器件，主控器件一般為微處理器。單線總線僅由一根線組成，與總線相連的器