TMP03/04型 數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的TMP03和TMP04型串行比率輸出式數字溫度傳感器的性能特點、工作原理、校驗方法及使用要點。TMP03/04采用∑-Δ式A/D轉換器,能濾除量化噪聲并且達到高分辨力指標。
　　　　
　　TMP03和TMP04是美國模擬器件公司（AD）生產的串行比率輸出式數字溫度傳感器,適配80C31、80C51型單片機（μC）或數字信號處理器（DSP）構成測溫系統。二者主要區別是TMP03為集電極開路輸出;而TMP04為互補型MOS場效應管輸出,其輸出電平與CMOS/TTL電路兼容。TMP03/04既可以檢測溫度,也可通過單片機實現溫度控制功能,適用于遠程溫度檢測、微機或電子設備的溫度監視器及工業過程控制等領域。
　　
　　1、TMP03/04性能特點

　　
　　（1）TMP03/04帶串行接口：其輸出為經過調制的串行數據。解碼后高、低電平持續時間的比率（t1/t2）與溫度在比例關系。利用微處理器的定時/計數器接口,很容易計算出攝氏溫度或華氏溫度值。
　　
　　（2）芯片內部有一個∑-Δ數字調制器,內含輸入采樣器、模擬求和器、積分器、比較器和1位數/模轉換器（DAC）。∑-Δ調制器配上數字濾波器后,即構成了∑-Δ式A/D轉換器。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等顯著優點,特別適用于微傳感器系統。
　　
　　（3）屬于三端器件,其外圍電路非常簡單,數據輸出端（DOUT）能直接連到單片機的輸入口。若經過光耦合器隔離后,還適合檢測遠程溫度。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。
　　
　　（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。zui大功耗僅為6.5mW。
　　
　　（5）TMP03和TMP04的數字輸出的電路結構不同。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動器,其輸出電流可達5mA;TMP04的輸出級則采用互補型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為串行數據輸出端。
　　
　　TMO03/074的內部框圖如圖2所示。主要包括4大部分：（1）基準電壓源和溫度傳感器。其中,基準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溫度成正比的UPTAT電壓,接到求和器的一個輸入端。（2）∑-Δ調制器。　　
　　內含模式求和器（又稱加法器）、積分器、比較器（亦稱量化器）和I位數/模轉換器（1bitDAC）。（3）數字濾波器。（4）高速時鐘振蕩器。由模擬求和器、積分器、比較器和1位DAC構成一個閉環系統,比較器還起到負反饋作用。它能根據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,通過負反饋電路使積分器輸出電壓UINT為zui低。上述電路也屬于電荷平衡式轉換器,經過多次快速比較之后,輸出的數字量就與被測溫度成比例關系。
　　
　　2.1∑-Δ式A/D轉換器
　　
　　近年來,隨著超大規模集成電路（VLSI）技術的發展,采用VLSI工藝制成的高性能∑-Δ式A/D轉換器,不僅已成為數字通信、數字音響等領域的主流產品,還被用于新型數字溫度傳感器中。∑-Δ式A/D轉換器由∑-Δ數字調制器和數字濾波器組成。∑-Δ式A/D轉換器以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力（1位）,將模擬信號轉換成數字信號,再使用過采樣、噪聲整形和數字濾波等方法來提高有效分辨力。一階∑-Δ式A/D轉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轉換器采用了“過采樣”（oversampling）技術。設采樣頻率為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。再利用數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轉換器來達到高分辨力的指標。當比較器的采樣頻率遠高于模擬輸入信號頻率時,就稱之為“過采樣”。利用過采樣技術可將已轉換成數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、高分辨力的數字信號。
　　
　　綜上所述,∑-Δ式A/D轉換器兼有積分式A/D轉換器和反饋比較式A/D轉換器的優點：對串模干擾的抑制能力很強,而對外圍元件的精度要求較低;由于采用了數字反饋方式,因此比較器的失調電壓及零點漂移不會影響轉換精度。此外,∑-Δ或A/D轉換器還能濾除量化噪聲并且達到高分辨力指標,這更是其顯著特點。　　
　　2.2TMP03/04的測溫原理
　　
　　TMP03/04是將溫度傳感器、∑-Δ調制器和數字濾波器集成到同一芯片上而制成的。由于VLSI的工藝和技術日益成熟,因此能大大降低器件的成本,開發出高性價比的數字溫度傳感器。TMP03/04的分辨力為12位,還可配帶16位計數器的微處理器。內部比較器的調輸出是經過電路編碼的串行數據,在通過μP解碼后,即可獲得攝氏（或華氏）溫度數據。采用電路編碼技術的優點是便于單線傳輸數據,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換成數字量,并且把數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,而與時鐘頻率無關,即使時鐘頻率發生波動,也會在解碼過程中被數字濾波器濾掉。
　　
　　TMP03/04的輸出信號為矩形波,當=+25℃時,矩形波的標稱頻率為35Hz。輸出波形如圖3所示。圖中的t1、t2分別代表1位數據波形中的高、低電平持續時間。被測溫度與t1/t2的比率有關：
　　
　　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=0℃時,t1/t2=58.8%,代入（1）式中計算出=235℃-235.2℃=0℃。實際上,只需將DOUT信號加至微處理器的定時/計數器接口,利用軟件很容易計算出溫值。定時/計數器zui大效計數值與量化誤差的對應關系如表1所列。不難看出,μP的計數值越大,時鐘頻率越高,量化誤差就愈小。
　　　　
　　3、TMP03/04校準方法及使用要點
　　
　　3.1TMP03/04的校準方法
　　
　　TMP03/04在出廠前已對精度和線性度進行了激光修正,一般情況下無須再進行校準。若用戶確實需要,也可以進行單點校準。具體方法是在+25℃的室溫下,分別記錄實際溫度值A和溫度傳感器的測量值B,再根據式（3）求出TMP03的偏移常數K　　
　　k=235+（A-B）（3）
　　
　　對于TMP04,應將式（3）中的常數改為455。
　　
　　3.2定時/計數器的優化設計
　　
　　使用定時/計數器（以下簡稱計數器）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,其標稱值為10ms,zui大值t1max<10（1+20%）ms=12ms。T2隨被測溫度而變化,zui大值t2max=44ms,對應于zui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zui高計數頻率必須合適,才能防止計數器在t2時間內溢出。令zui大計數值為Nmax,計算fCPmax的公式如下：
　　　　
　　用12位計數器計數時,從表中查出Nmax=4096,代入式（5）中計算出fCPmax=4096/44ms=94kH。
　　
　　3）計算量化誤差
　　
　　使用12位計數器,再給計數頻率留出5%的余量,實選fcp=fCPmax（-5%）=90kHz。在+25℃時,計算量化誤差的計算公式為：　　
　　式中,N1=t1maxXfcp=12ms×90kHz=1080,N2=t2maxXfCP=44ms×90kHz=3960。代入式（6）中計算出r=0.073℃。但是,當超過+25℃時,r值會增大。另外,計數器的位數愈高,測溫精度也愈高。考慮到TMP03/04內部噪聲所產生的量化誤差約為0.1℃,因此+25℃時的總線化誤差不會超過0.3℃。