TMP03/04型数字温度传感器的工作原理

    摘要：介绍美国模拟器件公司生产的TMP03和TMP04型串行比率输出式数字温度传感器的性能特点、工作原理、校验方法及使用要点。TMP03/04采用∑-Δ式A/D转换器，能滤除量化噪声并且达到高分辨力指标。

    关键词：数字温度传感器 ∑-Δ式A/D转换器 TMP03/04

TMP03和TMP04是美国模拟器件公司（AD）生产的串行比率输出式数字温度传感器，适配80C31、80C51型单片机（μC）或数字信号处理器（DSP）构成测温系统。二者主要区别是TMP03为集电极开路输出；而TMP04为互补型MOS场效应管输出，其输出电平与CMOS/TTL电路兼容。TMP03/04既可以检测温度，也可通过单片机实现温度控制功能，适用于远程温度检测、微机或电子设备的温度监视器及工业过程控制等领域。

1 TMP03/04性能特点

（1）TMP03/04带串行接口，其输出为经过调制的串行数据。解码后高、低电平持续时间的比率（t1/t2）与温度在比例关系。利用微处理器的定时/计数器接口，很容易计算出摄氏温度或华氏温度值。

(2)芯片内部有一个∑-Δ数字调制器，内含输入采样器、模拟求和器、积分器、比较器和1位数/模转换器（DAC）。∑-Δ调制器配上数字滤波器后，即构成了∑-Δ式A/D转换器。它具有分辨力高、线性度好、成本低、抑制混叠噪声和量化噪声的能力强等显著优点，特别适用于微传感器系统。

（3）属于三端器件，其外围电路非常简单，数据输出端（DOUT）能直接连到单片机的输入口。若经过光耦合器隔离后，还适合检测远程温度。测温范围一般为-25～+100℃，测温精度为±1.5℃（典型值）。使用时不需要校准。

（4）低电压供电，微功能。电源电压范围是+4.5～+7V。采用+5V供电时，电源电流不超过1.3mA。最大功耗仅为6.5mW。

（5）TMP03和TMP04的数字输出的电路结构不同。TMP03的输出极采用一只集电极开路的NPN型晶体管作为大电流驱动器，其输出电流可达5mA；TMP04的输出级则采用互补型MOSFET电路，其输出电平与CMOS/TTL电路兼容。

2 TMP03/04工作原理

TMP03/04有三种封装形式：TO-92、SO-8和RU-8，引脚排列如图1所示。其中，U+接电源的正极，GND为公共地。DOUT为串行数据输出端。

TMO03/074的内部框图如图2所示。主要包括4大部分：（1）基准电压源和温度传感器。其中，基准电压源的输出电压接至1位的DAC（图中未画），温度传感器输出的与热力学温度成正比的UPTAT电压，接到求和器的一个输入端。（2）∑-Δ调制器，内含模式求和器（又称加法器）、积分器、比较器（亦称量化器）和I位数/模转换器（1bit DAC）。（3）数字滤波器。（4）高速时钟振荡器。由模拟求和器、积分器、比较器和1位DAC构成一个闭环系统，比较器还起到负反馈作用。它能根据输入温度信号的变化情况，来改变比较器输出信号的占空因数，通过负反馈电路使积分器输出电压UINT为最低。上述电路也属于电荷平衡式转换器，经过多次快速比较之后，输出的数字量就与被测温度成比例关系。

2.1 ∑-Δ式A/D转换器

近年来，随着超大规模集成电路（VLSI）技术的发展，采用VLSI工艺制成的高性能∑-Δ式A/D转换器，不仅已成为数字通信、数字音响等领域的主流产品，还被用于新型数字温度传感器中。∑-Δ式A/D转换器由∑-Δ数字调制器和数字滤波器组成。∑-Δ式A/D转换器以很高的采样速率和很低的采样分辨力（1位），将模拟信号转换成数字信号，再使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法来提高有效分辨力。一阶∑-Δ式A/D转换器中的模拟电路非常简单，只需1个积分器、1个模拟求和器、1个比较器。

∑-Δ式A/D转换器采用了“过采样”（oversampling）技术。设采样频率为fs，过采样，则量化噪声的频谱就位于DC（直流）～Kfs/2之间。通过对量化噪声的频谱整形，还可使绝大部分噪声位于fs/2～Kfs/2之间，仅有很少一部分留在DC（直流）～fs/2范围内。再利用数字滤波器滤掉绝大部分噪声，只保留有用的信号。这样，不仅提高了信噪比，而且能用低分辨力A/D转换器来达到高分辨力的指标。当比较器的采样频率远高于模拟输入信号频率时，就称之为“过采样”。利用过采样技术可将已转换成数字量的输入信号频谱（低频段）与量化噪声频谱（高频段）分离开。这样再通过数字低通滤波器，就很容易滤除量化噪声及混叠噪声，获得高信噪比、高分辨力的数字信号。

综上所述，∑-Δ式A/D转换器兼有积分式A/D转换器和反馈比较式A/D转换器的优点：对串模干扰的抑制能力很强，而对外围元件的精度要求较低；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不会影响转换精度。此外，∑-Δ或A/D转换器还能滤除量化噪声并且达到高分辨力指标，这更是其显著特点。

2.2 TMP03/04的测温原理

TMP03/04是将温度传感器、∑-Δ调制器和数字滤波器集成到同一芯片上而制成的。由于VLSI的工艺和技术日益成熟，因此能大大降低器件的成本，开发出高性价比的数字温度传感器。TMP03/04的分辨力为12位，还可配带16位计数器的微处理器。内部比较器的调输出是经过电路编码的串行数据，在通过μP解码后，即可获得摄氏（或华氏）温度数据。采用电路编码技术的优点是便于单线传输数据，并且不依赖于时钟，能避免引入时钟误差。

TMP03/04的工作原理是将被测温度的模拟量转换成数字量，并且把数字化信号编码成时间比率（t1/t2）的形式。T1和t2在时间上是连续的，用同一个时钟即可获得二者的比率。因此温度仅与时间比率有关，而与时钟频率无关，即使时钟频率发生波动，也会在解码过程中被数字滤波器滤掉。

TMP03/04的输出信号为矩形波，当=+25℃时，矩形波的标称频率为35Hz。输出波形如图3所示。图中的t1、t2分别代表1位数据波形中的高、低电平持续时间。被测温度与t1/t2的比率有关：

式（1）被测温度的单位为摄氏度（℃），式（2）被测温度的单位为华氏度（°F）。

举例说明，当=0℃时，t1/t2=58.8%，代入（1）式中计算出=235℃-235.2℃=0℃。实际上，只需将DOUT信号加至微处理器的定时/计数器接口，利用软件很容易计算出温值。定时/计数器最大效计数值与量化误差的对应关系如表1所列。不难看出，μP的计数值越大，时钟频率越高，量化误差就愈小。

表1 最大有效计数值与量化误差的对应关系

3 TMP03/04校准方法及使用要点

3.1 TMP03/04的校准方法

TMP03/04在出厂前已对精度和线性度进行了激光修正，一般情况下无须再进行校准。若用户确实需要，也可以进行单点校准。具体方法是在+25℃的室温下，分别记录实际温度值A和温度传感器的测量值B，再根据式（3）求出TMP03的偏移常数K：

k=235+(A-B)      (3)

对于TMP04，应将式（3）中的常数改为455。

3.2 定时/计数器的优化设计

使用定时/计数器（以下简称计数器）时，可按下述原则来计算t2、fcpmax和量化误差r。

（1）计算t2

t1是固定的，其标称值为10ms，最大值t1max<10（1+20%）ms=12ms。T2随被测温度而变化，最大值t2max=44ms，对应于最高温度max=125℃。

对于其他温度，可用下式计算出t2值：

（2）计算fCPmax

所选最高计数频率必须合适，才能防止计数器在t2时间内溢出。令最大计数值为Nmax，计算fCPmax的公式如下：

fCPmax=Nmax/t2max        (5)

用12位计数器计数时，从表中查出Nmax=4 096，代入式（5）中计算出fCPmax=4 096/44ms=94kH。

（3）计算量化误差

使用12位计数器，再给计数频率留出5%的余量，实选fcp=fCPmax（100%-5%）=90kHz。在+25℃时，计算量化误差的计算公式为：

式中，N1=t1max X fcp=12ms×90kHz=1 080，N2=t2max X fCP=44ms×90kHz=3 960。代入式（6）中计算出r=0.073℃。但是，当超过+25℃时，r值会增大。另外，计数器的位数愈高，测温精度也愈高。考虑到TMP03/04内部噪声所产生的量化误差约为0.1℃，因此+25℃时的总线化误差不会超过0.3℃。