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IC类温度传感器的简化设计 [2007-2-7]来源:正岛电器技术应用开发部

    当有人问我目前从事何种工作时,我常常告诉别人我是一位从事模拟线路的工程师。模拟是什么意思?我常常用温度传感器来解释这个概念。我告诉他们我们工程人员有时用传感器将温度这个模拟值用电压或电流形式表达出。为了进一步定义模拟的概念,我采用数字领域的东西进行对比,而说电压或电流信号要被计算机识别就必须转换成1或0这样的数字信号。有时这种解释挺有力,有时却行不同。

  上述解释的目的就是暗示温度传感器现在已发生了很大变化。迄今为止,市场上提供的所有温度传感器都不具有模/数输出功能。热敏电阻、RTDs和热电偶的使用都伴随着一个模拟转换装置的使用或硅温度传感器。不幸的是,在重要应用中,这些模拟输出装置都要求一个比较器,一块ADC,或者一个放大器,以将它们的模拟信号转换成有用的信号。

  因而,当集成能力达到较高的水平时,具有数字界面的温度传感器就可出现了。目前所售的Ics温度传感器品种繁多,从处理越限温度信号的简单装置到远程温度的遥控和测量,并可进行温度的科编程设置。目前的选择并不是仅对模拟输出或数字输出传感器两种功能的挑选,对传感器的型号还有更广的选择,所用这些选择都应与你的系统匹配为准则。

温度传感器的种类
 理想的模拟传感器提供一种输出电压,该电压对温度具有极佳的线性功能。传感器B为数字I/O型,放大成1和0温度数字信号可以通过一个串行总线到微处理器。沿着同样的总线,数据也可从微处理器传送到温度传感器,通常设置数字温度输出报警。当温度达到限值时,报警中断信号就传到微控制器。这种类型传感器可用于风扇控制。
 
  “模拟脉冲”传感器(C)可具有各种形式的数字输出。电压VVOUT与温度的曲线是由IC决定的,当出现一个特别的越限温度时,其数字输出发生变化。在这种情况下,“脉冲”加到模拟温度传感器,而不需要比较器和参考电压。当器件被选通后,其它类型的“脉冲”部件会以延迟时间的形式传输温度数据,也可能用频率形式或方波形式(将在后面讨论)。
  系统监控型(D)是四种中最复杂的类型。可与数字I/O口配合使用,这类装置一般用来检测系统电压,当电压升高或降低到某一I/O设定值时,提供一个报警信号。

  风扇检测的与/或控制有时就采用这种类型的IC。有些情况下,这种装置用来确定风扇是否正常工作。更复杂的型号可用于控制风扇的一个和多个温度测量点。系统监测传感器在此处并不讨论,因为它涉及到给出温度传感器可用的复杂函数模型。

模拟输出温度传感器
  热敏电阻和硅温度传感器都被广泛地用做模拟输出温度传感器。图2清楚地表明电压和温度之间的线性关系,硅温度传感器的线性比热敏电阻的要好得多。然而,在狭窄的温度范围内,热敏电阻也能提供合理的线性和好的灵敏度。很多早期被热敏电阻构建的电路,现在已过时,目前已用硅温度传感器所替代。

  硅温度传感器可采用不同的刻度输出形式,例如,在输出转换上它可以用K、0C和0F表示。
  在大部分应用中,这些装置的输出被馈入到比较器或A/D转换器用来把温度数据转换成数字格式,尽管这是装置的额外需要,但是热敏电阻和硅温度传感器由于其价格低廉而能连续多年应用。

具有数字I/O接口的温度传感器
  大约在五年前,一种新型的温度传感器被引进。这些装置包括数字接口(允许与微控制器进行通讯)。这种通信界面一般包括I2C和SMBus串行总线,而另外一些串行通信界面(诸如SPI)也是通用的。该接口可传送数字到微处理器,该接口也能接受到微控制器的指令。这些指令常常是温度的域值,即温度如果越限,就会在温度传感器IC上产生一个数字信号(它将对微控制器产生一个中断)。微控制器然后就能调节风扇速度或调整微处理器,使温度处于控制之中。

  这类装置可广泛使用,在这些应用中,可进行遥控温度测量。为了进行遥控测量,大部分高性能CPUs都包括一个onchip转换器,该转换器可提供温度的模拟电压值。(仅在转换器的两个p-n结的一个被使用。)。另一种应用是采用一个离散的转换器进行同样的功能。

  这类传感器(包括显示在图3中的传感器)的另一个重要特点是当所测得温度处不在高限和低限之间的范围时具有中断微处理器的能力。在其它的传感器中,当测量温度值越过高限或低限时(不能同时有两值),一个中断信号应被产生。这些域值通过SMBus接口被传送到温度传感器。如果温度变化到域值范围之外,报警信号应能中断微处理器。
 
   然而,它不是监测一个p-n结,而是监测四个结点及自己的内部温度。因为Maxim的 MAX1668只消耗很少的电量,它的内部温度接近环境温度。测量环境温度就能判断出该系统风扇是否正常运行。

  通过远端监控温度来控制风扇是IC的主要功能。这种情况的用户能在风扇控制的两个不同模式中选择。用PWM模式,微处理器靠改变发送给风扇的信号周期控制风扇速度作为测量温度的一个功能。这种情况所需的消耗电能远低于控制件的线性模式产生的。由于某些风扇在PWM信号频率控制时发出能听得见的声音,而线性模式在这方面则更具有优点,但存在电能消耗高和需要其它的附加电路,虽然额外的电能消耗只是整个系统电能消耗的一小部分。

  当温度超过规定的域值时,该IC 提供中断微处理器的报警信号。明显信号的安全(一种短期的过温信号)模式也被提供。当温度升高到一个危险值时,如果微处理器或软件非正常运行,报警信号将会失去意义。然而,明显的是,一旦温度升高到某一设定值时(经由SMBus),它将会对控制电路动作,而不需要微处理器的帮助。因此,在这种高温时,微处理器最明显方式应是直接关闭电源,而不用微处理器控制,防止潜在地灾难故障。

  装置的数字I/O可广泛的用在服务器,电池封装和硬盘驱动。众多的温度点可用来监控众多的测量点,以增加服务器的科靠性。在母板上(它是底盘上的基本环境温度),在CPU内部,在其它的热产生元件(诸如图形加速器和硬盘驱动器)。为了安全原因电池封装中合并了温度传感器和优化的电池外形,它可以增加电池的寿命。

  有两种好的方法监控硬盘驱动器的温度,依靠电动机的初始速度和环境温度。在驱动器中的读数错误加大了温度的错误范围。硬盘的MTBF一般通过温度的控制而改进。通过测量系统内的温度,你能控制马达速度以优化系统的可靠性。驱动装置可被关闭。在要求可靠性高的系统中,为了管理系统产生警报可以指示温度域值或数据可能丢失的情况。

模拟脉冲传感器
  “模拟脉冲”传感器一般适宜于较简单的测量应用。这些ICs能产生一个从测量温度转换而来得逻辑输出到微处理器。而数字I/O传感器具有双向传输的功能,这是它们之间的主要区别。

  在一个模拟脉冲传感器最简单的实例中,当一个特殊的温度越限时,逻辑输出脉冲触发。当温度升高到规定的限值或降到规定的限值时,这些装置的部分被触发。这种传感器允许其它部分固定域值时,其温度域值能随着阻值调整。

  显示在图6的应用装置中采用了一个特殊的内部温度域值。对于这种装置三个电路显示了一个共同用处:报警、设备关闭或风扇转动。

 当一个实际的温度读数需要时,可采用一个微处理器,以及传输单一信号的传感器。用微处理器内部的计数器计量时间,则来自这种温度传感器的信号就能被很容易地转换成测量温度。图7中的传感器输出一个方波,它的频率与周围温度(绝对温度)成比例。图8中的装置是类似的,但方波的周期与周围的温度(绝对温度)成比例。

  作为一个实际中的应用情况,允许八个温度传感器连在同一个总线上。当微处理器的I/O口同时选通总线上的传感器时,就开始从这些温度传感器读取温度的过程。为了从每一个传感器中接受数据微处理器快速的调配接口以满足输入条件。在传感器选通后,微处理器即对读入的数据进行译码。每一个传感器都在特别范围的时间内选通脉冲到来时译码。通过分配给每一个传感器传数的时间范围,就可以避免译码冲突。

  这种方法达到的精度惊奇的高:在室温下是0.80C,正好匹配于IC用方波频率形式传输的温度数据译码。同样的情况在方波的周期中也适用。
  该器件在导线受限制的应用场所效果是非常明显得。例如,当温度传感器应与微处理器绝缘时,因为仅需要一个光耦,故造价可做的很小。在自动化和HVAC应用中,这些传感器也特别适用,因为距离的缘故,使得它们所用的铜量少。

展望温度传感器的发展
  IC传感器能提供各种功能界面的组合。因为这些装置在不断的改进,系统设置人员将看到更多的应用效果-新的特点以及传感器在系统中显示的特殊界面的新方法。最终,芯片的设计水平会达到在一块芯片上集成更多的电子元件后就可确保温度传感器能含有更多的新功能和更为特别的界面。
 

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