集成温度传感器讲解

设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。第四节IC温度传感器

一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲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；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。

电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。二、IC温度传感器的测温原理（一）电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基本误差不±1℃。输出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701输出(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213输出4－5~－15VRC三、IC温度传感器的主要特性输出电压/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ温度/ºCAN6701S的输入特性在-10~80℃范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25℃时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在3~30kΩ间，相应的灵敏度为109~110mV/℃。校准后，在-10~80℃范围内，基本误差不超过±1℃。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在5~15V间变化，所引起的测温误差一般不超过±2℃。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=∞时）。（二）电流型温度传感器1．伏安特性工作电压：4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/℃I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲线-55℃+25℃+150℃218298423

－550150273.2μAI/μATC/ºCAD590温度特性曲线2．温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc——摄氏温度；I的单位为μA。

可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。在常温25℃时，标定输出电流为298.2μA。I=KT·Tc＋273.23．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30在实际应用中，ΔT通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达±0.1℃。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由＋5V向＋10V变化时，其电流变化仅为0.2μA/V。长时间漂移最大为±0.1℃，反向基极漏电流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT递增，100℃～150℃则是递降。ΔT最大可达±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按档级分等。T/ºCAD590非线性误差曲线美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。（三）数字输出型IC温度传感器

１、DS1820的特性

单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

无需外围元件；

由总线提供电源；

测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；

九位温度读数；

A/D变换时间为200ms；

用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。

DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封装

DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引脚及功能

GND：地；

VDD：电源电压

I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)

3、DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1)寄生电源DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表

温度测量电路斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2)温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。64位ROM的结构如下：

开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。主机操作ROM的命令有五种，如表所列指

令说

明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(3)64位激光ROM

DS1820存贮控制命令指

令说

明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第0和第1字节中复制（48H）将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式

DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。４温度检测系统原理由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。采用寄生电容供电的温度检测系统

89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……

温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到５０米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。

DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单