為數(shù)字溫度傳感器選擇系統(tǒng)接口的方法

有助于獲得精確的熱管理加上免校準特性，將確保數(shù)字溫度傳感器繼續(xù)受到人們的歡迎。為滿足需多個主器件共存的高可靠性和系統(tǒng)冗余要求，以及對于要求輕松添加新溫度傳感器的應(yīng)用而言，I2C總線或SMBus將繼續(xù)保持其作為溫度傳感器系統(tǒng)接口主要選擇的地位。

圖1：數(shù)字溫度傳感器簡化框圖。

熱敏電阻、熱電偶、模擬硅溫度傳感器和鎳/鉑電阻式溫度檢測器(RTD)，需要進行校準以達到所需的溫度精度。作為混合信號器件的數(shù)字溫度傳感器則不需要進行校準，它們具有集成數(shù)字邏輯，工作溫度范圍為-55℃到50℃，采用絕對溫度比例(PTAT)電路，通過檢測二極管的基極-發(fā)射極電壓(VBE)的變化來測量本地/遠程溫度。它具有簡單的集成硬件來保存溫度值并對溫度設(shè)定點、器件工作模式、睡眠模式以及快/慢轉(zhuǎn)換速率進行編程設(shè)定。數(shù)據(jù)通過IC間總線(I2C總線)、系統(tǒng)管理總線(SMBus)或串行外圍接口(SPI)來通信。實際上，每個器件在生產(chǎn)時均會進行調(diào)整，溫度檢測精度達到±0.5℃以內(nèi)或者更高，性價比和可靠性均很高。這些優(yōu)點使得數(shù)字溫度傳感器在幾乎任何可以想象到的應(yīng)用中都受到歡迎，包括PC、通信設(shè)備、手持設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備等。

具體來說，數(shù)字溫度傳感器的主要構(gòu)成包括一個雙電流源、一個Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯和一個通向數(shù)字器件(如與一個微處理器或微控制器連接)的串行接口(如I2C總線、SMBus或SPI)。數(shù)字溫度傳感器有兩種：本地或遠程溫度傳感器，它們均采用某種方法強制兩個成比例的電流通過一個連接成二極管形式的NPN或PNP晶體管，均用于測量所導(dǎo)致的VBE變化，使用Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換器對電壓采樣并將數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。強制電流一般采用約10:1的比例。通過強制施加比例電流和測量兩個VBE的差值，可消除二極管上IS這一與工藝相關(guān)參數(shù)的一階效應(yīng)。

圖2：SPI 典型讀/寫周期。(點擊放大該圖)

每個溫度傳感器在生產(chǎn)過程中均會進行調(diào)整，以便與要使用的二極管的理想?yún)?shù)匹配。遠程二極管的特性取自2N3904/6。由于本地溫度傳感器在硅襯底上只是一個簡單的NPN或PNP結(jié)構(gòu)，遠程溫度傳感器幾乎總是集成一個本地溫度傳感器。因此，遠程傳感器的作用幾乎總是像兩個傳感器一樣。本地溫度傳感器在同一封裝集成了一個熱二極管。對于本地傳感器，根據(jù)封裝和位于IC襯底上的本地二極管，熱時間常數(shù)(即達到最終溫度的63.2%所需的時間)為幾分鐘?？偩€負載過重或轉(zhuǎn)換過快會造成器件自加熱并影響溫度精度。

溫度數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎盟璧臅r間稱為轉(zhuǎn)換速率。該速率由器件內(nèi)部振蕩器和A/D分辨率決定，一般低于100Hz或長于10ms。轉(zhuǎn)換速率越快，溫度數(shù)據(jù)可檢索的速度就越快，同時溫度傳感器消耗的功率也就越大。由于存在自加熱效應(yīng)，轉(zhuǎn)換速率通常較低。圖1顯示了一個遠程溫度傳感器和/或本地溫度傳感器的簡化框圖。

I2C總線或SMBus溫度傳感器的優(yōu)點

最流行的數(shù)字溫度傳感器是那些帶有串行總線接口的傳感器。溫度傳感器總線的選擇很大程度上取決于所選微處理器或控制器上有哪些可用的接口。控制器的選擇取決于工程師對其擁有的經(jīng)驗多少。對于需要經(jīng)常進行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因為它擁有較快的時鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統(tǒng)管理活動，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個從器件的狀態(tài)，或者需要多個主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會要求這一點)，或者面向低功耗應(yīng)用，這時I2C 或 SMBus將是首選接口。下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點。

圖3：(a)I2C總線/SMBus系統(tǒng)接口；(b)SPI 系統(tǒng)接口。