IC類溫度傳感器的簡化設(shè)計(jì)
當(dāng)有人問我目前從事何種工作時，我常常告訴別人我是一位從事模擬線路的工程師。模擬是什么意思？我常常用溫度傳感器來解釋這個概念。我告訴他們我們工程人員有時用傳感器將溫度這個模擬值用電壓或電流形式表達(dá)出。為了進(jìn)一步定義模擬的概念，我采用數(shù)字領(lǐng)域的東西進(jìn)行對比，而說電壓或電流信號要被計(jì)算機(jī)識別就必須轉(zhuǎn)換成1或0這樣的數(shù)字信號。有時這種解釋挺有力，有時卻行不同。
上述解釋的目的就是暗示溫度傳感器現(xiàn)在已發(fā)生了很大變化。迄今為止，市場上提供的所有溫度傳感器都不具有模/數(shù)輸出功能。熱敏電阻、RTDs和熱電偶的使用都伴隨著一個模擬轉(zhuǎn)換裝置的使用或硅溫度傳感器。不幸的是，在重要應(yīng)用中，這些模擬輸出裝置都要求一個比較器，一塊ADC，或者一個放大器，以將它們的模擬信號轉(zhuǎn)換成有用的信號。
因而，當(dāng)集成能力達(dá)到較高的水平時，具有數(shù)字界面的溫度傳感器就可出現(xiàn)了。目前所售的Ics溫度傳感器品種繁多，從處理越限溫度信號的簡單裝置到遠(yuǎn)程溫度的遙控和測量，并可進(jìn)行溫度的科編程設(shè)置。目前的選擇并不是僅對模擬輸出或數(shù)字輸出傳感器兩種功能的挑選，對傳感器的型號還有更廣的選擇，所用這些選擇都應(yīng)與你的系統(tǒng)匹配為準(zhǔn)則。
溫度傳感器的種類
理想的模擬傳感器提供一種輸出電壓，該電壓對溫度具有A的線性功能。傳感器B為數(shù)字I/O型，放大成1和0溫度數(shù)字信號可以通過一個串行總線到微處理器。沿著同樣的總線，數(shù)據(jù)也可從微處理器傳送到溫度傳感器，通常設(shè)置數(shù)字溫度輸出報(bào)警。當(dāng)溫度達(dá)到限值時，報(bào)警中斷信號就傳到微控制器。這種類型傳感器可用于風(fēng)扇控制。
“模擬脈沖”傳感器（C）可具有各種形式的數(shù)字輸出。電壓VVOUT與溫度的曲線是由IC決定的，當(dāng)出現(xiàn)一個特別的越限溫度時，其數(shù)字輸出發(fā)生變化。在這種情況下，“脈沖”加到模擬溫度傳感器，而不需要比較器和參考電壓。當(dāng)器件被選通后，其它類型的“脈沖”部件會以延遲時間的形式傳輸溫度數(shù)據(jù)，也可能用頻率形式或方波形式（將在后面討論）。
系統(tǒng)監(jiān)控型(D)是四種中最復(fù)雜的類型。可與數(shù)字I/O口配合使用，這類裝置一般用來檢測系統(tǒng)電壓，當(dāng)電壓升高或降低到某一I/O設(shè)定值時，提供一個報(bào)警信號。
風(fēng)扇檢測的與/或控制有時就采用這種類型的IC。有些情況下，這種裝置用來確定風(fēng)扇是否正常工作。更復(fù)雜的型號可用于控制風(fēng)扇的一個和多個溫度測量點(diǎn)。系統(tǒng)監(jiān)測傳感器在此處并不討論，因?yàn)樗婕暗浇o出溫度傳感器可用的復(fù)雜函數(shù)模型。
模擬輸出溫度傳感器
熱敏電阻和硅溫度傳感器都被廣泛地用做模擬輸出溫度傳感器。圖2清楚地表明電壓和溫度之間的線性關(guān)系，硅溫度傳感器的線性比熱敏電阻的要好得多。然而，在狹窄的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻也能提供合理的線性和好的靈敏度。很多早期被熱敏電阻構(gòu)建的電路，現(xiàn)在已過時，目前已用硅溫度傳感器所替代。
硅溫度傳感器可采用不同的刻度輸出形式，例如，在輸出轉(zhuǎn)換上它可以用K、0C和0F表示。
在大部分應(yīng)用中，這些裝置的輸出被饋入到比較器或A/D轉(zhuǎn)換器用來把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，盡管這是裝置的額外需要，但是熱敏電阻和硅溫度傳感器由于其價(jià)格低廉而能連續(xù)多年應(yīng)用。
具有數(shù)字I/O接口的溫度傳感器
大約在五年前，一種新型的溫度傳感器被引進(jìn)。這些裝置包括數(shù)字接口（允許與微控制器進(jìn)行通訊）。這種通信界面一般包括I2C和SMBus串行總線，而另外一些串行通信界面（諸如SPI）也是通用的。該接口可傳送數(shù)字到微處理器，該接口也能接受到微控制器的指令。這些指令常常是溫度的域值，即溫度如果越限，就會在溫度傳感器IC上產(chǎn)生一個數(shù)字信號（它將對微控制器產(chǎn)生一個中斷）。微控制器然后就能調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度或調(diào)整微處理器，使溫度處于控制之中。
這類裝置可廣泛使用，在這些應(yīng)用中，可進(jìn)行遙控溫度測量。為了進(jìn)行遙控測量，大部分高性能CPUs都包括一個onchip轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可提供溫度的模擬電壓值。（僅在轉(zhuǎn)換器的兩個p-n結(jié)的一個被使用。）。另一種應(yīng)用是采用一個離散的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同樣的功能。
這類傳感器（包括顯示在圖3中的傳感器）的另一個重要特點(diǎn)是當(dāng)所測得溫度處不在高限和低限之間的范圍時具有中斷微處理器的能力。在其它的傳感器中，當(dāng)測量溫度值越過高限或低限時（不能同時有兩值），一個中斷信號應(yīng)被產(chǎn)生。這些域值通過SMBus接口被傳送到溫度傳感器。如果溫度變化到域值范圍之外，報(bào)警信號應(yīng)能中斷微處理器。
然而，它不是監(jiān)測一個p-n結(jié)，而是監(jiān)測四個結(jié)點(diǎn)及自己的內(nèi)部溫度。因?yàn)镸axim的MAX1668只消耗很少的電量，它的內(nèi)部溫度接近環(huán)境溫度。測量環(huán)境溫度就能判斷出該系統(tǒng)風(fēng)扇是否正常運(yùn)行。
通過遠(yuǎn)端監(jiān)控溫度來控制風(fēng)扇是IC的主要功能。這種情況的用戶能在風(fēng)扇控制的兩個不同模式中選擇。用PWM模式，微處理器靠改變發(fā)送給風(fēng)扇的信號周期控制風(fēng)扇速度作為測量溫度的一個功能。這種情況所需的消耗電能遠(yuǎn)低于控制件的線性模式產(chǎn)生的。由于某些風(fēng)扇在PWM信號頻率控制時發(fā)出能聽得見的聲音，而線性模式在這方面則更具有優(yōu)點(diǎn)，但存在電能消耗高和需要其它的附加電路，雖然額外的電能消耗只是整個系統(tǒng)電能消耗的一小部分。
當(dāng)溫度超過規(guī)定的域值時，該IC提供中斷微處理器的報(bào)警信號。明顯信號的安全（一種短期的過溫信號）模式也被提供。當(dāng)溫度升高到一個危險(xiǎn)值時，如果微處理器或軟件非正常運(yùn)行，報(bào)警信號將會失去意義。然而，明顯的是，一旦溫度升高到某一設(shè)定值時（經(jīng)由SMBus），它將會對控制電路動作，而不需要微處理器的幫助。因此，在這種高溫時，微處理器最明顯方式應(yīng)是直接關(guān)閉電源，而不用微處理器控制，防止?jié)撛诘貫?zāi)難故障。
裝置的數(shù)字I/O可廣泛的用在服務(wù)器，電池封裝和硬盤驅(qū)動。眾多的溫度點(diǎn)可用來監(jiān)控眾多的測量點(diǎn)，以增加服務(wù)器的科靠性。在母板上（它是底盤上的基本環(huán)境溫度），在CPU內(nèi)部，在其它的熱產(chǎn)生元件（諸如圖形加速器和硬盤驅(qū)動器）。為了安全原因電池封裝中合并了溫度傳感器和優(yōu)化的電池外形，它可以增加電池的壽命。
有兩種好的方法監(jiān)控硬盤驅(qū)動器的溫度，依靠電動機(jī)的初始速度和環(huán)境溫度。在驅(qū)動器中的讀數(shù)錯誤加大了溫度的錯誤范圍。硬盤的MTBF一般通過溫度的控制而改進(jìn)。通過測量系統(tǒng)內(nèi)的溫度，你能控制馬達(dá)速度以優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動裝置可被關(guān)閉。在要求可靠性高的系統(tǒng)中，為了管理系統(tǒng)產(chǎn)生警報(bào)可以指示溫度域值或數(shù)據(jù)可能丟失的情況。
模擬脈沖傳感器
“模擬脈沖”傳感器一般適宜于較簡單的測量應(yīng)用。這些ICs能產(chǎn)生一個從測量溫度轉(zhuǎn)換而來得邏輯輸出到微處理器。而數(shù)字I/O傳感器具有雙向傳輸?shù)墓δ?，這是它們之間的主要區(qū)別。
在一個模擬脈沖傳感器最簡單的實(shí)例中，當(dāng)一個特殊的溫度越限時，邏輯輸出脈沖觸發(fā)。當(dāng)溫度升高到規(guī)定的限值或降到規(guī)定的限值時，這些裝置的部分被觸發(fā)。這種傳感器允許其它部分固定域值時，其溫度域值能隨著阻值調(diào)整。
顯示在圖6的應(yīng)用裝置中采用了一個特殊的內(nèi)部溫度域值。對于這種裝置三個電路顯示了一個共同用處：報(bào)警、設(shè)備關(guān)閉或風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。
當(dāng)一個實(shí)際的溫度讀數(shù)需要時，可采用一個微處理器，以及傳輸單一信號的傳感器。用微處理器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)量時間，則來自這種溫度傳感器的信號就能被很容易地轉(zhuǎn)換成測量溫度。圖7中的傳感器輸出一個方波，它的頻率與周圍溫度（絕對溫度）成比例。圖8中的裝置是類似的，但方波的周期與周圍的溫度（絕對溫度）成比例。
作為一個實(shí)際中的應(yīng)用情況，允許八個溫度傳感器連在同一個總線上。當(dāng)微處理器的I/O口同時選通總線上的傳感器時，就開始從這些溫度傳感器讀取溫度的過程。為了從每一個傳感器中接受數(shù)據(jù)微處理器快速的調(diào)配接口以滿足輸入條件。在傳感器選通后，微處理器即對讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。每一個傳感器都在特別范圍的時間內(nèi)選通脈沖到來時譯碼。通過分配給每一個傳感器傳數(shù)的時間范圍，就可以避免譯碼沖突。
這種方法達(dá)到的精度驚奇的高：在室溫下是0.80C,正好匹配于IC用方波頻率形式傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)譯碼。同樣的情況在方波的周期中也適用。
該器件在導(dǎo)線受限制的應(yīng)用場所效果是非常明顯得。例如，當(dāng)溫度傳感器應(yīng)與微處理器絕緣時，因?yàn)閮H需要一個光耦，故造價(jià)可做的很小。在自動化和HVAC應(yīng)用中，這些傳感器也特別適用，因?yàn)榫嚯x的緣故，使得它們所用的銅量少。
展望溫度傳感器的發(fā)展
IC傳感器能提供各種功能界面的組合。因?yàn)檫@些裝置在不斷的改進(jìn)，系統(tǒng)設(shè)置人員將看到更多的應(yīng)用效果－新的特點(diǎn)以及傳感器在系統(tǒng)中顯示的特殊界面的新方法。最終，芯片的設(shè)計(jì)水平會達(dá)到在一塊芯片上集成更多的電子元件后就可確保溫度傳感器能含有更多的新功能和更為特別的界面。
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