Для термоизмерений могут использоваться различные зависимости физических величин от температуры. В электронике в качестве датчиков температуры используются термопары (имеют широкий диапазон измеряемых температур и высокую точность, но в то же время они предъявляют высокие требования к схеме включения), терморезисторы (имеют более низкую стоимость, но невысокую точность). Отдельно следует выделить датчики на основе полупроводников. Современные полупроводниковые датчики температуры характеризуются достаточно высокой точностью до ±0,5°С и способны работать в диапазоне температур от -55 до 150°С. А возможность размещения прямо на кристалле ИС дает широкие возможности для их применения. Существуют микросхемы датчиков с аналоговыми и цифровыми выходами, АЦП со встроенными датчиками температуры и т.д.

Использование цифрового формата представления данных дает ряд преимуществ. Сводится к минимуму влияние помех на измерения, т.к. датчик и АЦП расположены непосредственно на одном кристалле. Уменьшается количество соединений на плате и необходимое количество выводов управляющего микроконтроллера, что дает возможность разместить на одной шине до восьми датчиков. Устройства отличаются простотой в программной реализации обмена данными, так как в большинстве современных микроконтроллеров используемые интерфейсы реализованы аппаратно. К достоинствам этого вида приборов можно отнести и отсутствие внешних элементов.

Компанией Texas Instruments выпускается линейка датчиков с цифровыми выходами (табл. 1). Представленный ряд приборов можно разделить на группы по следующим характеристикам:

• Температурный диапазон:
  стандартный (-40...125°С)
  расширенный (-55...125°С, TMP401 до +150°С);
• Точность измерения во всем диапазоне температур:
  малая (±3,0°С),
  средняя (±1,5°С...±2,0°С),
  высокая (±0,5°С...±1,0°С);
• Тип интерфейса:
  I²C,
  SPI;
• Тип корпуса:
  6SOT-23,
  8SOIC,
  8MSOP,
  6DSBGA (1,65х1,15 мм);
• Дополнительные функции:
  режим энергосбережения (потребляемый ток ~1 мкА)
  наличие программируемых температурных порогов (термостат).

Таблица 1. Температурные датчики с цифровым выходом Texas Instruments 

Остановимся более подробно на основных представителях семейства.

ТМР105, ТМР106 - температурные датчики с двухпроводным последовательным интерфейсом I²C, изготавливаются в миниатюрном шестивыводном корпусе DSBGA.

Эти микросхемы включают в себя (см. рис. 1) температурный датчик на основе p-n перехода, АЦП преобразующий сигнал с датчика, управляющую логику, отвечающую за обмен с внешними устройствами и конфигурацию устройства.

Рис. 1. Внутренняя структура датчиков

Рис. 2. Структура внутренних регистров датчиков

В датчиках имеется четыре регистра (см. рис. 2):

• 12-битный регистр температуры. Старшие 8 бит соответствуют разрешению 1 бит на
  1°С, младшие четыре бита - дробная часть значения температуры.
• Регистр конфигурации:
  - флаг включения режима пониженного энергопотребления,
  - флаг включения режима термостата (при превышении температуры записанной в регистре верхнего порога температуры выход ALERT становится активным и сбрасывается только при снижении ниже нижнего порога),
  - флаг инверсии выхода ALERT,
  - флаг разрешения преобразования (позволяет увеличивать разрядность с 9 до 12 бит, но при этом время на измерение увеличивается с 27,5 мс до 220 мс),
  - флаг включения единичного преобразования (в режиме пониженного энергопотребления производится одно преобразование и выдача данных);
• Регистры для хранения верхнего и нижнего порогов температуры.

Типовое включение датчиков показано на рис. 3.

Рис. 3. Типовое включение TMP105, TMP106

Для обмена с внешними устройствами в датчиках используется интерфейс I²C. Датчики могут работать только в режиме ведомого устройства. Адрес датчика на шине зависит от того, куда подключен вывод А0 (общая шина или шина питания) и может быть равен соответственно 48h и 49h. Таким образом, возможно подключение двух устройств данного типа на одной шине.

Благодаря своим характеристикам, эти датчики могут применяться в устройствах климатического контроля и вентиляции, устройствах контроля за состоянием аккумуляторных батарей, сотовых телефонах, ноутбуках, устройствах тепловой защиты периферии персональных компьютеров.

Следующим представителем серии является температурный датчик TMP275 с самой высокой точностью измерения температуры из всего семейства (±0,5°С в диапазоне температур 10...85°С). Датчик также имеет встроенный двухпроводный последовательный интерфейс I²C. Наличие трех входов задания адреса позволяет разместить на одной шине до восьми устройств данного типа. TMP275 поставляется в корпусах SOIC-8 и MSOP-8.

Внутренняя структура датчика и имеющиеся в наличии регистры идентичны рассмотренным ранее TMP105 и TMP106, за тем исключением, что адреса на шине I²C устройств данного типа варьируются в пределах 48h - 4Fh.

Область применения этих датчиков включает в себя устройства климатического контроля и вентиляции, устройства контроля состояния аккумуляторных батарей, устройства контроля температуры в системах управления питанием, устройства электромеханики, оргтехники, сотовые телефоны и ноутбуки.

Рис. 4. Структурная схема датчика TMP401

В заключение остановимся на наиболее функциональном датчике TMP401 (см. рис. 4). Данный тип прибора позволяет контролировать температуру как непосредственно со встроенного датчика, с точностью измерения ±3,0°С, так и с внешнего, роль которого может выполнять обычный маломощный транзистор n-p-n или p-n-p типа в диодном включении, при этом точность измерения будет составлять ±1,0°С. Диапазон измеряемых температур равен: -55...150°С.

TMP401 также имеет интерфейс I²C. Дополнительно имеются возможности по обнаружению неисправности датчика и компенсации сопротивления потерь, включающего сопротивление проводников печатной платы и проводников для подключения датчика к плате. Так, при напряжении питания +5 В сопротивление проводников может составлять до 3 кОм, а при питании от источника 3,3 В - не более 500 Ом. При этом максимальная емкость, образованная проводниками, не должна превышать 1000 пФ.

Рассмотрим отличительные особенности данного типа датчиков:

1. Возможность подключения внешнего транзистора для измерения температуры удаленных объектов. В качестве температурного датчика рекомендуется использовать маломощные транзисторы.

2. Наличие в датчике регистра скорости преобразования. От значения, записанного в этот регистр, фактическая скорость преобразования не изменяется, но между преобразованиями добавляется задержка, что позволяет сократить потребление энергии от источника питания. Этот регистр определяет количество преобразований: от восьми в секунду до одного за 16 секунд, при этом потребляемый ток составляет 355...29 мкА соответственно.

3. Регистр разрешения прерываний помимо своей основной функции позволяет указать минимальное количество последовательных измерений (1...4), превышающих содержимое регистра верхнего порога температуры в режиме термостата (аналогично работает контроль над нижним порогом температуры), после которых должно возникнуть прерывание. Возникающее прерывание управляет работой выхода ALERT.

4. Регистр статуса предназначен для хранения состояний компараторов температур. Помимо этого в нем присутствует флаг выполнения аналого-цифрового преобразования и флаг, сигнализирующий о состоянии внешнего датчика: присоединен или отключен.

5. Регистр конфигурации помимо флага включения режима пониженного энергопотребления содержит также бит включения измерения в расширенном диапазоне температур -55..150°С. Ошибка в данном случае не превышает ±5,0°С. В регистре конфигурации, можно изменить режим работы датчика: в качестве термостата, и в качестве триггера с гистерезисом. В режиме триггера используются значения, хранимые в дополнительных регистрах пределов. Для каждого из каналов устанавливается пороговое значение и задается гистерезис, то есть работа микросхемы в этом режиме аналогична работе триггера Шмидта.

Адрес датчика TMP401 на шине данных по умолчанию равен 4Ch, таким образом, на одной шине можно разместить один датчик. Однако при необходимости можно подключить рассмотренные выше датчики по другим адресам.

Регистры идентификации устройства и производителя предназначены только для чтения и их значения должны быть равными 11h и 55h соответственно.

Помимо известных применений этого датчика, можно отметить возможность его использования в системах охлаждения LCD-проекторов, настольных компьютеров и ноутбуков, серверов и хранилищ данных.

Стоимость TMP401 по сравнению с датчиками, описанными выше, вдвое больше. Однако, благодаря возможности подключения внешнего недорогого маломощного транзистора в качестве измерительного элемента, стоимость одного измерения температуры практически не изменяется.

Полную документацию можно найти на сайте компании производителя Texas Instruments (http://www.ti.com/ ) в разделе Temperature Sensors and Control ICs.