04型数字温度传感器的工作原理.docx

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1、TMP03/04型数字温度传感器的工作原理摘要：介绍美国模拟器件公司消费的TMP03和TMP04型串行比率输出式数字温度传感器的性能特点、工作原理、校验方法及使用要点。TMP03/04采用-式A/D转换器,能滤除量化噪声并且到达高分辨力指标。关键词：数字温度传感器-式A/D转换器TMP03/04TMP03和TMP04是美国模拟器件公司AD消费的串行比率输出式数字温度传感器,适配80C31、80C51型单片机C或者数字信号处理器DSP构成测温系统。二者主要区别是TMP03为集电极开路输出;而TMP04为互补型MOS场效应管输出,其输出电平与CMOS/TTL电路兼容。TMP03/04既可以检测温度

2、,也可通过单片机实现温度控制功能,适用于远程温度检测、微机或者电子设备的温度监视器及工业经过控制等领域。1、TMP03/04性能特点1TMP03/04带串行接口：其输出为经过调制的串行数据。解码后高、低电平持续时间的比率t1/t2与温度在比例关系。利用微处理器的定时/计数器接口,很轻易计算出摄氏温度或者华氏温度值。2芯片内部有一个-数字调制器,内含输入采样器、模拟求和器、积分器、比拟器和1位数/模转换器DAC。-调制器配上数字滤波器后,即构成了-式A/D转换器。它具有分辨力高、线性度好、本钱低、抑制混叠噪声和量化噪声的才能强等显著优点,十分适用于微传感器系统。3属于三端器件,其外围电路非常简单

3、,数据输出端DOUT能直接连到单片机的输入口。假设经过光耦合器隔离后,还合适检测远程温度。测温范围一般为-25+100,测温精度为1.5典型值。使用时不需要校准。4低电压供电,微功能。电源电压范围是+4.5+7V。采用+5V供电时,电源电流不超过1.3mA。最大功耗仅为6.5mW。5TMP03和TMP04的数字输出的电路构造不同。TMP03的输出极采用一只集电极开路的NPN型晶体管作为大电流驱动器,其输出电流可达5mA;TMP04的输出级那么采用互补型MOSFET电路,其输出电平与CMOS/TTL电路兼容。2、TMP03/04工作原理TMP03/04有三种封装形式：TO-92、SO-8和RU-

4、8,引脚排列如图1所示。其中,U+接电源的正极,GND为公共地。DOUT为串行数据输出端。TMO03/074的内部框图如图2所示。主要包括4大局部：1基准电压源和温度传感器。其中,基准电压源的输出电压接至1位的DAC图中未画,温度传感器输出的与热力学温度成正比的UPTAT电压,接到求和器的一个输入端。2-调制器,内含形式求和器又称加法器、积分器、比拟器亦称量化器和I位数/模转换器1bitDAC。3数字滤波器。4高速时钟振荡器。由模拟求和器、积分器、比拟器和1位DAC构成一个闭环系统,比拟器还起到负反应作用。它能根据输入温度信号的变化情况,来改变比拟器输出信号的占空因数,通过负反应电路使积分器输

5、出电压UINT为最低。上述电路也属于电荷平衡式转换器,经太多次快速比拟之后,输出的数字量就与被测温度成比例关系。2.1-式A/D转换器近年来,随着超大规模集成电路VLSI技术的开展,采用VLSI工艺制成的高性能-式A/D转换器,不仅已成为数字通讯、数字音响等领域的主流产品,还被用于新型数字温度传感器中。-式A/D转换器由-数字调制器和数字滤波器组成。-式A/D转换器以很高的采样速率和很低的采样分辨力1位,将模拟信号转换成数字信号,再使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法来进步有效分辨力。一阶-式A/D转换器中的模拟电路非常简单,只需1个积分器、1个模拟求和器、1个比拟器。-式A/D转换器采用了“

6、过采样oversampling技术。设采样频率为fs,过采样,那么量化噪声的频谱就位于DC直流Kfs/2之间。通过对量化噪声的频谱整形,还可使绝大局部噪声位于fs/2Kfs/2之间,仅有很少一局部留在DC直流fs/2范围内。再利用数字滤波器滤掉绝大局部噪声,只保存有用的信号。这样,不仅进步了信噪比,而且能用低分辨力A/D转换器来到达高分辨力的指标。当比拟器的采样频率远高于模拟输入信号频率时,就称之为“过采样。利用过采样技术可将已转换成数字量的输入信号频谱低频段与量化噪声频谱高频段别离开。这样再通过数字低通滤波器,就很轻易滤除量化噪声及混叠噪声,获得高信噪比、高分辨力的数字信号。综上所述,-式A

7、/D转换器兼有积分式A/D转换器和反应比拟式A/D转换器的优点：对串模干扰的抑制才能很强,而对外围元件的精度要求较低;由于采用了数字反应方式,因此比拟器的失调电压及零点漂移不会影响转换精度。此外,-或者A/D转换器还能滤除量化噪声并且到达高分辨力指标,这更是其显著特点。2.2TMP03/04的测温原理TMP03/04是将温度传感器、-调制器和数字滤波器集成到同一芯片上而制成的。由于VLSI的工艺和技术日益成熟,因此能大大降低器件的本钱,开发出高性价比的数字温度传感器。TMP03/04的分辨力为12位,还可配带16位计数器的微处理器。内部比拟器的调输出是经过电路编码的串行数据,在通过P解码后,即

8、可获得摄氏或者华氏温度数据。采用电路编码技术的优点是便于单线传输数据,并且不依靠于时钟,能防止引入时钟误差。TMP03/04的工作原理是将被测温度的模拟量转换成数字量,并且把数字化信号编码成时间比率t1/t2的形式。T1和t2在时间上是连续的,用同一个时钟即可获得二者的比率。因此温度仅与时间比率有关,而与时钟频率无关,即使时钟频率发生波动,也会在解码经过中被数字滤波器滤掉。TMP03/04的输出信号为矩形波,当=+25时,矩形波的标称频率为35Hz。输出波形如图3所示。图中的t1、t2分别代表1位数据波形中的高、低电平持续时间。被测温度与t1/t2的比率有关：式1被测温度的单位为摄氏度,式2被

9、测温度的单位为华氏度F。举例讲明,当=0时,t1/t2=58.8%,代入1式中计算出=235-235.2=0。实际上,只需将DOUT信号加至微处理器的定时/计数器接口,利用软件很轻易计算出温值。定时/计数器最大效计数值与量化误差的对应关系如表1所列。不难看出,P的计数值越大,时钟频率越高,量化误差就愈小。align=center表1最大有效计数值与量化误差的对应关系/align3、TMP03/04校准方法及使用要点3.1TMP03/04的校准方法TMP03/04在出厂前已对精度和线性度进展了激光修正,一般情况下无须再进展校准。假设用户确实需要,也可以进展单点校准。详细方法是在+25的室温下,分

10、别记录实际温度值A和温度传感器的测量值B,再根据式3求出TMP03的偏移常数Kk=235+A-B3对于TMP04,应将式3中的常数改为455。3.2定时/计数器的优化设计使用定时/计数器以下简称计数器时,可按下述原那么来计算t2、fcpmax和量化误差r。1计算t2t1是固定的,其标称值为10ms,最大值t1max2计算fCPmax所选最高计数频率必须适宜,才能防止计数器在t2时间内溢出。令最大计数值为Nmax,计算fCPmax的公式如下：fCPmax=Nmax/t2max5用12位计数器计数时,从表中查出Nmax=4096,代入式5中计算出fCPmax=4096/44ms=94kH。3计算量化误差使用12位计数器,再给计数频率留出5%的余量,实选fcp=fCPmax100%-5%=90kHz。在+25时,计算量化误差的计算公式为：式中,N1=t1maxXfcp=12ms90kHz=1080,N2=t2maxXfCP=44ms90kHz=3960。代入式6中计算出r=0.073。但是,当超过+25时,r值会增大。另外,计数器的位数愈高,测温精度也愈高。考虑到TMP03/04内部噪声所产生的量化误差约为0.1,因此+25时的总线化误差不会超过0.3。0