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温度传感器趋势
2007/2/1 11:57:18    产通学院,365PR NET

随着计算机及半导体技术的飞速发展,硅集成温度传感器尤其是具有数字接口的半导体温度传感器得到了广泛的应用,正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

1、提高测温精度和分辨力
 
在1990年代中期最早推出的数字温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1°C。目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的数字温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625°C。由Maxim/Dallas研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125°C,测温精度为±0.2°C。为了提高多通道数字温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道数字温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。

2、扩大工作温度范围

随着市场应用的发展,数字温度传感器将不断扩大工作温度范围,继续降低系统电压和外形尺寸,以迎合市场需求。

Microchip能提供种类多样高精度硅制温度传感器,这些产品的工作温度范围为-40℃到+125℃,采用小型SC-70封装,功耗较低,其典型电流消耗仅为6微安,而且成本更低,是热敏电阻最佳的替代器件。例如,MCP9700和MCP9701温度传感器可为众多需要热保护、温度测量或热量校准功能的嵌入式应用,提供完整且易用的解决方案。MCP9701的线性输出斜率为每摄氏度19.53毫伏,而MCP9700为每摄氏度10毫伏,能有效改善系统的抗噪声能力,使温度精度更高。其偏移电压和线性输出斜率使器件在感应负温度时无需负电源供电。

3、增加测试功能
 
新型数字温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629型单线数字温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息。另外,数字温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

数字温度传感器都具有多种工作模式可供选择,主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式,有的还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。对某些数字温度传感器而言,主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654),分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。

温度控制器是在数字温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。数字温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。

4、总线技术的标准化与规范化
 
目前,数字温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

5、可靠性及安全性设计
 
传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术,其噪声容限低,抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型数字温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D转换器,它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号,再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术,来提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D转换器不仅能滤除量化噪声,而且对外围元件的精度要求低;由于采用了数字反馈方式,因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种数字温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等数字温度传感器的内部,都设置了一个可编程的“故障排队(fault queue)”计数器,专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1~4)时,才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的,故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时,那么偶然受到一次或两次噪声干扰,都不会影响温控系统的正常工作。

LM76型数字温度传感器增加了温度窗口比较器,非常适合设计一个符合先进配置与电源接口 (AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,ACPI)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能,可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为tH,台式计算机一般为75℃,高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时,INT端立即使主机产生中断,再通过电源控制器发出信号,迅速将主电源关断起到保护作用。此外,当温度超过CPU的极限温度时,严重超温报警输出端(T_CRIT_A)也能直接关断主电源,并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源,以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。

为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片,一些数字温度传感器还增加了ESD保护电路,一般可承受1000-4000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型,当人体放电时,TCN75型数字温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。LM83型数字温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。

最新开发的数字温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能,能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消 (PArAsitic ResistAnce CAncellAtion) ”模式,能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差,即使引线阻抗达到100欧姆,也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。

6、网络温度传感器
 
网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量,再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络,以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享,在更换传感器时无须进行标定和校准,可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,这样就极大地方便了用户。

7、单片测温系统
 
单片系统(System On Chip)是在芯片上集成一个系统或子系统,其集成度将高达108~109元件/片,这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。目前,国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统,相信在不久的将来即可面市。

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