數字溫度傳感器規范及標準介紹

為了實現最佳性能并確保系統穩健性，就必須要進行系統監控測量。其中一個必需的典型測量項目就是環境溫度。使用簡單的數字溫度傳感器進行該測量將為系統設計人員提供如下保證：組件正常工作，系統處于其性能或校準限值范圍內，不會使用戶遇到危險。

測量結束后，通常由系統中的微控制器對環境溫度進行相應調整。系統監控微控制器可以改變風扇速度、關閉非必要系統進程或使系統智能進入省電模式。系統設計人員需全面正確地了解數字溫度傳感器規范以設計系統，并就測量結果采取最佳措施。另外，全面了解傳感器規范將確保在選擇數字溫度傳感器器件時，可做到權衡得當。

當選擇數字溫度傳感器（也稱作串行輸出溫度傳感器）時，應考慮的主要規范包括精度、分辨率、功耗、接口和封裝。

圖1 數字溫度傳感器總體結構圖

精度

數字溫度傳感器精度表示傳感器讀數和系統實際溫度之間的誤差。在產品說明書中，精度指標和溫度范圍相對應。通常針對不同溫度范圍，有數個最高精度指標。對于-25～+100℃溫度范圍來說，±2℃精度是很常見的。Analog Device公司的ADT75、Maxim公司的DS75、National公司的LM75以及TI的TMP75均具有這種精度節點。但是，還有更高精度的器件。例如，TI的TMP275在20～100℃溫度范圍內的精度為±0.5℃。

圖2 TMP275溫度誤差與溫度對應關系的典型性能曲線

雖然溫度精度指標是非常重要的，然而對系統監控應用來說，它并非一定是最為關鍵的因素。這些應用更重視檢測溫度變化，而不是確定溫度絕對值。

分辨率

數字溫度傳感器分辨率是描述傳感器可檢測溫度變化細微程度的指標。集成于封裝芯片的溫度傳感器本身就是一種模擬傳感器。因此所有數字溫度傳感器均有一個模數轉換器(ADC)。ADC分辨率將決定器件的總體分辨率，分辨率越高，可檢測到的溫度變化就越細微。

在產品說明書中，分辨率是采用位數和攝氏溫度值來表示的。當采用位數來考慮分辨率時，必須多加注意，因為該值可能包括符號位，也可能不包括符號位。此外，該器件的內部電路可能以不同于傳感器總體溫度范圍的值，來確定內部ADC的滿量程范圍。以攝氏度來表示的分辨率是一種更直接分辨率值，采用該數值可進行設計分析。

現有器件的分辨率從1℃到0.03125℃不等。National公司的LM75通常是一種9位溫度傳感器。關于前一點，LM75的全工作范圍是-55～+125℃。因此您可能希望分辨率是0.352℃。實際上，該分辨率被規定為0.5℃。TI的TMP102通常是12位器件，其分辨率為0.0625℃。即使環境溫度發生微小變化其也會提醒微控制器采取相應的措施。

功耗

大多數系統設計人員都非常關心系統的總功耗，電池供電系統尤為如此。對于這些應用領域使用的數字溫度傳感器來說，規定功耗必須在整個系統功率預算以下。現在市場上的許多數字溫度傳感器處于工作狀態時，僅消耗微安電流。市場上還有一些具有斷電引腳或斷電寄存器功能的其他器件。它們在斷電狀態下的耗電可能遠不到1mA。因為系統監控活動通常是非連續的，因此設計人員可充分利用“單觸發”模式的優勢（該模式也是一些數字溫度傳感器的功能之一）。在“單觸發”模式中，該器件的上電時間剛好完成測量，接著隨即恢復斷電模式。利用這種功能，時間平均耗電量可降至最低。

National公司的LM70數字溫度傳感器就是一款采用斷電寄存器的中等低功耗器件。運行狀態下的最大靜態電流指標是490μA，但當該器件進入關機模式時，電流消耗通常降至12μA。TI的TMP102采用了“單觸發”模式，因此設計人員可輕松地使該器件處于斷電狀態，其電流消耗通常低于1μA。即使處于工作狀態時，該器件也僅消耗10μA靜態電流。

考慮系統功耗時，另一個因素是數字溫度傳感器的電源電壓要求。大多數溫度傳感器的性能指標要求的供電電壓范圍為2.7～5.5V。有幾款器件（如Maxim公司的DS75LX）則專門適于低電壓應用，其規范要求的電壓范圍是1.7V～3.7V。TMP102的性能要求電壓可低至1.4V。

接口

大多數數字溫度傳感器都具有下列兩種接口中的一種：I2C或SPI。I2C接口是一種兩線總線，可用于與監控器件進行通信的多種系統。它通常以400kb/s 的速度運行，但如果采用有源終端電路，則可以 3.4Mb/s的速度運行。該總線要求單線具有上拉電阻，這使材料清單成本增加很小。利用溫度傳感器器件上的引腳可將多個傳感器裝在同一條總線上。一些器件可在出廠時擁有不同的地址，便于通過一臺I2C主控制器來控制數個相同的器件。當需要在系統內若干個點進行溫度測量時，其作用就顯現出來了。

SPI是一種三線或四線接口，具體情況視器件間需要單向通信還是雙向通信而定。SPI不支持器件尋址，因此系統內的每個器件都必須擁有與之相連的專門數字線路。來自主系統的這條專線路被稱作芯片選擇、芯片使能或從屬選擇，它支持主系統與每個器件進行單獨通信。

市場上現有的幾款數字溫度傳感器采用單線接口。這種由Maxim公司最早推出的接口通常被稱作“單線”接口。器件、溫度傳感器等使用局限性限制了這種接口的應用。Maxim公司的DS18B20就是一款利用“單線”接口的典型數字溫度傳感器。

封裝

數字溫度傳感器廠商提供了多種封裝選擇，以方便系統設計人員可隨時找到適于其系統空間限制的封裝。現有封裝類型從8引腳SOIC到芯片級封裝(CSP)。當尺寸限制不是系統設計的主要因素時，較大封裝當然是合適的。CSP 更適于空間有限的應用（如手機），但在生產方面可能存在困難。新上市的器件為采用SOT563封裝的器件系列（如TMP102）。它們在實際尺寸方面和CSP相似，甚至高度或Z尺寸方面也很相似。但因其是封裝的有引線器件，因此它們在生產環境中更穩健。
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結論

在規定限值內運行單個組件是先進系統設計的部分要求。要使高度集成的先進系統始終保持最佳運行需要進行系統監控。具體來說，監控并維持最佳系統溫度將決定系統是否能保持穩定。系統臨界溫度測量首先從選擇正確的數字溫度傳感器開始。只要從精度、分辨率、功耗、接口和封裝要求考慮，大多數應用均可找到合適的數字溫度傳感器。