НОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ С ЦИФРОВЫМ

Реклама
№ 7, июль 2013
ДАТЧИКИ
НОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
С ЦИФРОВЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
B
статье рассмотрены характеристики выпускаемых компанией
Analog Devices новых датчиков температуры с цифровыми интерфейсами
I2C и SPI. Датчики отличаются высокой чувствительностью, малой погрешностью измерений и высокой стабильностью характеристик.
В. Макаренко
В [1, 2] рассматривались датчики температуры, выпускаемые компанией Analog Devices. Но за прошедшее со времени публикаций
время были разработаны и внедрены в производство новые модели датчиков с цифровым
интерфейсом [3, 4] – ADT7320 с интерфейсом
SPI и ADT7420 – с интерфейсом I2C. Поскольку отличия между этими датчиками заключаются только в типе интерфейса, достаточно
рассмотреть основные характеристики одного
из них.
Основные характеристики датчика температуры ADT7420:
• погрешность измерения температуры:
♦ ±0.20 °C в диапазоне температур -10…85 °C
при Uпит = 3 В
♦ ±0.25 °C в диапазоне температур
-20…105 °C при Uпит = 2.7…3.3 В
• число разрядов выходного кода – 16
• разрешающая способность 0.0078 °C
• сверхнизкий температурный дрейф –
не более 0.0073 °C
• быстрое первое преобразование температуры при включении питания –
не более 6 мс
• простота применения
• автоматическая калибровка и коррекция
показаний датчика
автоматическая
коррекция нелинейности
•
температурной характеристики
• малая мощность потребления
• в энергосберегающем режиме (SPS) измерение осуществляется 1 раз в секунду
• потребляемая мощность 700 мкВт при
Uпит = 3.3 В в нормальном режиме работы,
20
NEW TEMPERATURE SENSORS
WITH DIGITAL INTERFACE
I
n the article the characteristics of the new temperature sensors with digital interfaces I2C,
SPI, manufactured by Analog Devices are given. The
sensors have high sensitivity, high measurement accuracy and high stability characteristics.
Аbstract –
V. Makarenko
15 мкВт – в режиме SPS, 7 мкВт – в "спящем" режиме
• широкий диапазон измеряемых температур: -40…150 °C
диапазон
напряжения питания 2.7…5.5 В
•
• программируемые прерывания
• автоматическое прерывание при перегреве
или переохлаждении
I
• 2C-совместимый интерфейс
• корпус LFCSP-16, 4×4 мм, соответствует
требованиям директивы RoHS.
Основные области применения:
• замена резистивных датчиков температуры, термисторов и термопар с компенсацией температуры холодного спая
• медицинское оборудование
• промышленное оборудование для контроля
и измерения температуры
• контейнеры для перевозки и хранения пищевых продуктов
системы
экологического мониторинга
•
• системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
• системы контроля температуры с использованием лазерного диода.
Функциональная схема датчика температуры ADT7420 с интерфейсом I2C приведена на
рис. 1.
Датчик содержит внутренний источник
опорного напряжения, температурный сенсор
и 16-разрядный сигма-дельта АЦП для оцифровки напряжения, формируемого на выходе
температурного сенсора. По умолчанию разрешающая способность датчика установлена
0.0625 °C, что соответствует числу разрядов
www.ekis.kiev.ua
№ 7, июль 2013
ДАТЧИКИ
Рис. 1. Функциональная схема датчика температуры ADT7420 с интерфейсом I2C
АЦП, равному 13. Разрешение АЦП может
быть изменено пользователем через внешний
интерфейс. В ИМС предусмотрен "спящий" режим, в котором потребление тока снижается
от 210 до 2 мкА.
Выводы A0 и A1 предназначены для выбора
адреса. Изменяя код на этих входах, можно задать для ADT7420 четыре адреса I2C. Программирование всех внутренних регистров и считывание из них информации осуществляются
через интерфейс I2C. Тактовый сигнал, необходимый для работы АЦП, формируется встроенным генератором.
Выходные сигналы на выводах CT и INT
формируются с помощью полевых транзисторов Т1…T3 с открытым стоком. Если температура превышает запрограммированный критический уровень, транзистор Т1 открывается,
формируя на выходе СТ уровень логического
нуля (активное состояние по умолчанию).
На выходе INT при превышении запрограммированных пределов температуры формируется
уровень логического нуля (активное состояние
по умолчанию).
В обычном (NORMAL) режиме (по умолчанию) датчик ADT7420 выполняет автоматическое преобразование. Время преобразования
составляет 240 мс. Каждый результат преобразования сохраняется в регистре значения температуры. При считывании информации из регистра в обычном режиме преобразования через интерфейс I2C доступен только последний
измеренный результат.
При включении питания первое преобразование осуществляется за 6 мс. При первом измерении после включения питания погрешность измерения температуры находится в
пределах ±5 °С. Если при первом включении
e#mail: [email protected]
датчика температура превышает 64 °С, на выходе INT формируется уровень логического
нуля, а если превышает 147 °C, то и на выходе
СТ формируется уровень логического нуля.
Значение критической температуры хранится в 16-разрядном регистре TCRIT, верхний
предел температуры – в 16-разрядном регистре
THIGH, нижний предел – в регистре TLOW.
В режиме однократного измерения (ONESHOT MODE) после завершения измерения
датчик ADT7420 переходит в "спящий" режим. Считывание данных возможно не ранее
чем через 240 мс после окончания цикла измерения температуры. Это время необходимо для
выхода датчика из "спящего" режима и завершения режима преобразования. Однократный
режим рекомендуется использовать в случае,
если приоритет отдается энергосбережению
системы контроля и измерения температуры,
в которую входит датчик.
Для перевода датчика в режим ONE-SHOT
MODE необходимо записать "0" в 6-й и "1" в 5-й
разряд регистра конфигурации (адрес регистра
0x03). На рис. 2 показаны сигналы на выходе СТ
при изменении температуры вблизи критического значения. Следует обратить внимание на то,
что в этом режиме работы после выполнения операции чтения информации из любого регистра
происходит сброс активного уровня на выходах
INT и СТ [4]. Чтобы исключить формирование
ложных сигналов на выходах СТ и INT при небольших флуктуациях температуры вблизи заданного значения (рис. 2), в регистр THYST записывается значение ширины петли гистерезиса.
Активный уровень на выходе СТ по умолчанию
равен "0". Если активный уровень необходимо
сделать равным "1", во второй разряд регистра
конфигурации должна быть записана "1" [4].
21
ДАТЧИКИ
Рис. 2. Диаграммы сигналов на выводе СТ
датчика температуры ADT7420 при
превышении критического уровня
измеряемой температуры
В энергосберегающем режиме 1 SPS MODE
измерения производятся автоматически один
раз в секунду. Время преобразования при этом
равно 60 мс. Этот режим включается путем записи "1" в 6-й и "0" в 5-й разряды регистра
конфигурации.
В "спящий" режим (SHUTDOWN) ИМС
ADT7420 можно перевести, записав в пятый и
шестой разряды регистра конфигурации "1".
В этом режиме считывание информации из
регистров датчика невозможно. Для вывода
из "спящего" режима необходимо в те же разряды регистра конфигурации записать "0".
Время выхода из "спящего" режима не превышает 1 мс. Подробную информацию о программировании регистров датчика можно
найти в [4].
Типовая схема включения датчика приведена на рис. 3.
Рис. 3. Типовая схема подключения
датчика ADT7420
22
№ 7, июль 2013
Сигналы на выходах CT и INT могут формироваться в одном из двух режимов – прерываний или компаратора. На рис. 4 приведены
диаграммы сигналов на выходе INT при работе
в каждом из этих режимов.
В режиме компаратора сигнал на выходе
INT возвращается к неактивному уровню, когда
температура падает ниже уровня THIGH - THYST
(при измерении высокой температуры) или
поднимается выше уровня TLOW + THYST (при
измерении низкой температуры). Перевод
ИМС ADT7420 в "спящее" состояние в этом режиме не приводит к сбросу сигнала на выходе
INT к неактивному уровню.
В режиме прерывания на выходе INT при
считывании информации из любого регистра
ИМС (рис. 4) сигнал возвращается к неактивному уровню. Вновь активный уровень сигнала на выходе INT будет сформирован только в
случае превышения температуры, заданной в
регистре THIGH, или ее уменьшении ниже заданной в регистре TLOW.
Скорость тепловой реакции является функцией тепловой массы датчика температуры, но
Рис. 4. Диаграммы сигналов на выводе INТ
датчика температуры ADT7420 при
измерении температуры выше
максимального уровня
www.ekis.kiev.ua
№ 7, июль 2013
ДАТЧИКИ
она также во многом зависит от массы объекта,
на котором смонтирована ИМС. Например, на
печатной плате, содержащей большие площадки меди, являющиеся теплоотводами, скорость слежения за изменением температуры
может уменьшиться. Для уменьшения времени тепловой реакции рекомендуется устанавливать датчики на минимально возможную по
размерам плату. На рис. 5 показаны типовые
зависимости времени реакции датчика при
разных значениях температуры. Время реакции включает все задержки, вносимые при обработке и считывании сигнала.
Для сохранения высокой точности измерений с помощью датчика ADT7420 необходимо
применять источники питания с малыми пуль-
Рис. 5. Зависимости времени реакции
датчика ADT7420 при разных значениях
измеряемой температуры
Основные характеристики температурных датчиков с цифровым выходом производства
компании Analog Devices
Тип
AD7814
AD7414
AD7415
Разрешаю- Погрешность Эквиващая споизмерения
лентное
собность
температучисло
(°C/ЕМР)
ры, °C
разрядов
0.25
±2
10
0.25
±2
10
0.25
±2
10
AD7416
0.25
±2
10
AD7816
AD7314
0.25
0.25
±1
±1
10
10
AD7818
0.25
±1
10
AD7418
ADT7516
ADT7517
ADT7519
0.25
0.25
0.25
0.25
±1
–
–
–
10
10
10
10
AD7817
0.25
±1
10
AD7417
0.25
±2
10
ADT75
0.0625
–
12
ADT7291
ADT7298
ADT7301
ADT7302
ADT7312
ADT7311
ADT7310
ADT7410
ADT7420
ADT7430
0.05
1
0.03125
0.03125
1
0.05
0.05
0.05
0.0017
0.0017
±0.5
±1
–
–
±1
±0.5
±0.5
±0.5
±0.25
±0.25
12
12
13
13
16
16
16
16
16
16
Диапазон
Диапазон
Выходы Интерфейс * измеряемых напряжения
температур, источника
ЦАП
°C
питания, В
–
SPI
-55...125
2.7...5.5
–
-40...125
2.7...5.5
I2C
2
–
-40...125
2.7...5.5
IC
2C, ключ
I
–
-40...125
2.7...5.5
(выкл./вкл.)
–
SPI
-40...85
2.7...5.5
–
SPI
-35...85
2.65...5.5
SPI, ключ
–
-40...85
2.7...5.5
(выкл./вкл.)
2
–
-40...125
2.7...5.5
IC
12 бит × 4
-40...120
2.7...5.5
I2C/SPI
2
10 бит × 4
-40...120
2.7...5.5
I C/SPI
8 бит × 4
-40...120
2.7...5.5
I2C/SPI
SPI,
ключ
–
-40...85
2.7...5.5
(выкл./вкл.)
–
-40...125
2.7...5.5
I2C
2
I C, SM Bus,
–
-55...125
3...5.5
ключ
(выкл./вкл.)
12 бит × 8
-40...125
2.8...3.6
I2C
12 бит × 8
–
-40...125
2.8...3.6
–
SPI
-40...150
2.7...5.5
–
SPI
-40...125
2.7...5.25
–
SPI
-55...175
2.7...5.5
–
SPI
-40...150
2.7...5.5
–
SPI
-55...150
2.7...5.5
–
-55...150
2.7...5.5
I2C
2
–
-40...150
2.7...5.5
I C, SM Bus
–
SPI
-40...150
2.7...5.5
* SM Bus – System Management Bus (системная управляющая шина).
e#mail: [email protected]
23
ДАТЧИКИ
сациями выходного напряжения. При использовании импульсных источников питания рекомендуется включать RC-фильтр между источником питания и ИМС датчика. Элементы
фильтра необходимо выбирать с учетом того,
чтобы пульсации на выводе VDD ИМС
ADT7420 не превышали 1 мВ. Элементы
фильтра необходимо устанавливать как можно
дальше от датчика, чтобы не увеличивать его
тепловую массу.
Для выбора типа датчика, используемого в
системе контроля и измерения температуры,
можно воспользоваться данными, приведенными в таблице.
24
№ 7, июль 2013
Более подробно с характеристиками датчиков можно ознакомиться в [3, 4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Макаренко В. Датчики температуры компании Analog Devices. Части 1…3 // ЭКиС –
Киев: VD MAIS, 2007, №№ 3, 5, 7.
2. Голуб В. Полупроводниковые датчики
температуры: принципы построения // ЭКиС –
Киев: VD MAIS, 2008, № 6.
3. http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADT7320.pdf.
4. http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADT7420.pdf.
www.ekis.kiev.ua
Скачать