低成本的微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)控器

摘要：ADM1021是美國ADI公司出品的一種數(shù)字溫度計IC。它具有精度高，價格低，體積小等特點，是便攜式設備中不可缺少的器件。文章詳細介紹了ADM1021的工作原理、技術(shù)性能、設計參數(shù)、應用范圍以及注意事項。

關(guān)鍵詞：串行接口 信號調(diào)理 溫度監(jiān)控 ADM1021

1 引言

ADM1021是雙通道的數(shù)字溫度計集成電路，同時可兼做低溫/高溫報警器，非常適用于需要溫度監(jiān)控的個人計算機及其系統(tǒng)。該器件通過連接的PNP晶體管可以測量微處理器的溫度，而PNP晶體管可由奔騰II或類似的處理器芯片，或者由分立的PNP/NPN器件來提供，比如2N3904/2N3906等。ADM1021采用了新穎的測量方法，從而消除了晶體管的基極射極電壓絕對值。第二個測量通道可用于測量芯片上溫度傳感器的輸出，以監(jiān)控器件及周圍的環(huán)境溫度。ADM1021通過一個與系統(tǒng)控制總線（SM總線）相兼容的雙線串行接口與外界相加，并可通過串行總線把低溫或高溫極限值輸入到器件中。當芯片或遠程溫度超過范圍時，ALERT引腳就會有信號輸出以作為中斷或SM總線的警報信號。ADM1021可廣泛應用于臺式機和筆記本電腦等領(lǐng)域，同時，在通訊系統(tǒng)中也具有廣泛的應用前景。

2 主要技術(shù)性能

圖1是ADM1021的引腳排列圖。表1給出了各引腳的功能說明。

表1 引腳功能介紹

ADM1021內(nèi)含一個雙通道的A/D轉(zhuǎn)換器，利用其特殊的輸入信號調(diào)理功能可對遠程或芯片上的溫度傳感器進行操作。在正常工作時，其A/D轉(zhuǎn)換器一般工作在自由運行模式，因此可用模擬輸入多路器來選擇芯片上的溫度傳感器或遠程溫度傳感器以測量本地或遠程溫度。對這些信號通過ADC進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，把結(jié)果存入8位本地或遠程溫度寄存器中，然后把測量結(jié)果與芯片上的4個寄存器的高低溫度極限值進行比較。如果超過極限值，將產(chǎn)生標志字并交其存入狀態(tài)寄存器，同時將ALERT端的輸出變低。

ADM1021中的極限寄存器是可編程的，因而可通過串聯(lián)的系統(tǒng)控制總線對儀器進行設置和控制。其控制和設置功能包括：器件工作在正常模式或待機模式、屏蔽或使能ALERT的輸出以及選擇轉(zhuǎn)換率等。

3 工作原理

測量溫度的一個簡單方法是在恒定電流情況下使用二極的負溫度系數(shù)或者晶體管的基極一射極電壓。但這種技術(shù)需要消除Vbe絕對值的影響，而Vbc絕對值是隨器件的不同而變經(jīng)的。ADM1021可通過測量器件在兩個不同電流時Vbe的差值來消除其影響。具體公式為：

Δvbe=KT/qln(N)

其中，K是波耳茲曼常數(shù)，q是電子電量（1.6×10 -9庫公侖），T是絕對溫度，單位為開爾文，N是兩電流比值。

圖2是用于測量外部溫度傳感器輸出值的輸入信號調(diào)理功能圖。若用晶體管作為外部溫度傳感器在微處理器上進行溫度監(jiān)控時，如果使用的是分立晶體管，則集電極不接地而應與基極相連。如果傳感器在噪聲環(huán)境下工作，則應加入C1以濾去噪聲。C1通?？蛇x為2200pF，并不能超過3300pF。

為了測量Δvbe，傳感器的工作電流應在I與N×I之間，其輸出波形通過65kHz的低通濾波器濾波后送入一個放大器進行放大。放大器的功能是放大和修正波形，以提供Δvbe成比例的直流電壓。ADC測量到這個電壓后將給出8位溫度輸出。另外，也可以通過用數(shù)字濾波器取測量平均值的方法來消除噪聲的影響。其內(nèi)部溫度傳感器的信號調(diào)理和測量是以相同方式來進行的。表2是ADM1021的溫度數(shù)據(jù)表。

表2 溫度數(shù)據(jù)表

雖然理論上利用ADM1021可以測量-128℃～+127℃的溫度，然而實際的最低溫度限制為-65℃，這是由器件的最大標稱值所決定的。因為本地或遠程溫度值寄存器的測量結(jié)果在存入到本地或遠程溫度值寄存器中時，要與高低溫極限寄存器中的極限值進行比較。

ADM1021利用內(nèi)部9個寄存器來設置或控制器件，以分別用于存儲本地或遠程溫度測量結(jié)果和高低溫極限值。表3列出了ADM1021各寄存器的工作情況。需要注意的是：各寄存器是雙口的，其讀寫操作有不同的地址。向讀地址中寫或從寫地址中讀都是非法的。0FH以上的寄存器地址是作為將來使用或取來于工廠檢測的，因此不能進行寫操作。

表3 ADM1021的寄存器列表

ADM1021的寫操作包括1個或2個字節(jié)，而讀操作只包括1個字節(jié)。在向器件數(shù)據(jù)寄存器中寫數(shù)據(jù)時，第一個字節(jié)總是包括一個存在地址指針寄存器中的有效地址。如果數(shù)據(jù)即將被寫入器件，則寫操作的第2個字節(jié)應寫入到由地址指針寄存器選定的寄存器中。其過程進序見圖3所示。

在R/W置0后，器件地址將通過總線送入。第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是即將被寫入的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的地址，它存在于地址指針寄存器中，而第二個數(shù)據(jù)字節(jié)將被寫入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中。

從寄存器中讀取數(shù)據(jù)時，如果ADM1021的地址指針值未知或不指定值，那篤，在從指定的數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)之前需要把它設定為正確值，這可以通過向ADM1021進行寫操作來執(zhí)行。讀操作包括時序總線地址、R/W位置1以及從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)字節(jié)等。此過程如圖4所示。

如果地址指針值寄存器已經(jīng)指向指定的地址，那么數(shù)據(jù)即可從相應的數(shù)據(jù)寄存器中讀出而不必先向地址指針寄存器中寫地址。需要注意的是：ADM1021的讀、寫操作地址不同的。

4 設計應用

4.1 遠程傳感二極管的選擇

ADM1021可與微處理器中的吸收晶體管或分立的晶體管一起組成一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在微處理器中的晶體管一般為PNP型，而分立器件則不受PNP或NPN型限制。使用NPN型晶體管時，把晶體管的集電極和基極連到ADM1021的D+，發(fā)射極連到D-。如果使用PNP型管，則應將集電極和其極連至D-，發(fā)射極連到D+端。在使用分立的晶體管時，為了提高其測量的準確性，一般應遵循以下選擇原則：

（1）當基極-發(fā)射極工作在最高溫度時，應保證其電流為6μA，并使其電壓大于0.25V；

（2）當基極-發(fā)射極工作在最低溫度時，應保證其電流為100μA，并使其電壓小于0.95V；

（3）晶體管的基極電阻應小于100Ω。

按照以上原則，應用時可選用類似于2N3904，2N3906或SOT-23這樣的器件。

4.2 溫度慣性與自動加熱

溫度測量的準確性依賴于測量情況下遠程溫度傳感器或內(nèi)部溫度傳感器的溫度值。理論上，傳感器應與系統(tǒng)的待測部分（比如微處理器）有很好的溫度接觸。但如果實際中并是如此，那么將會導致傳感器的溫度慣性使其對溫度變化的響應產(chǎn)生遲滯。這在遠程傳感器中問題不大，因為它使用的是微處理器的吸收晶體管或像SOT-23這樣的小器件，而且芯片上的傳感器離微處理器也很遠。因此，溫度時間常數(shù)大約是10秒。在實際應用中，由自動加熱引起溫度升高可以忽略。

5 結(jié)束語

ADM1021是一種精度比較高的雙通道數(shù)字測溫兼警報器件。與其它同類產(chǎn)品相比，它具有設計新穎，性能穩(wěn)定，使用方便，價格便宜等特點。在各類計算機、遠程或本地溫度傳感及通訊系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景