作者：Andy Jenkins and Jeff Lewis
TMP03 是單片硅芯片上的完整溫度數據采集系統。該器件包括一個硅基傳感器、內部基準電壓源和 Σ-Δ A/D 轉換器，適合采用 3 引腳（電源、公共和輸出）TO-92 晶體管封裝。其數字輸出為低頻可變占空比串行數據流，可通過集電極開路供電，提供 5mA 灌電流。配套產品 TMP04 完全相同，但具有兼容 CMOS/TTL 的輸出。+1 V（3.5至4 V范圍）時的靜態功率要求為5.7 mA。
圖1.TMP03 / TMP04 及其 Σ-Δ 調制器的功能框圖
將整個溫度至數字鏈集成到單個芯片上可節省空間、設計時間和資金。此外，數字輸出和少量引線提高了可靠性，并大大簡化了隔離和遠程操作。誤差源越少，誤差預算的計算就越容易。TMP03 的數字輸出允許輕松構建多通道系統（其他傳感器共享一個單通道低成本數字多路復用解碼器）。我們的 TMP03 評估板是低成本多通道溫度采集的一個例子。
TMP03 的典型應用存在于“無處不在”；一些示例包括隔離傳感器、環境控制系統、計算機熱監控、熱保護、工業過程控制和電源系統監視器。
設備說明：ADI公司的帶隙基準電壓源產生恒定電壓和PTAT（與絕對溫度成比例）電壓。在TMP03中，它們用作一階Σ-Δ調制器的輸入。器件輸出為35 Hz（標稱）精確標記空間調制數字信號，對頻率不敏感。TTL/CMOS 兼容輸出允許 TMP03 直接連接到標準邏輯。
因此，TMP03 和 TMP04 非常適合直接連接到微控制器定時器/計數器輸入端口和可編程邏輯陣列。TMP04 提供高輸出電流邏輯輸出，能夠驅動 1000 pF 的負載電容，開關邊沿定義損耗最小。
系統規格：由于 TMP03/TMP04 是完全獨立的，因此其規格接近最終系統規格。TMP03/04 的單一溫度精度規格結合了傳感器傳遞函數、信號調理和轉換引起的誤差。典型精度（-25至+100°C）在1.5%以內（最大值為4%），非線性度為0.5°C，電源靈敏度為0.7°C/V（最大值為1.2°C/V）。該器件的工作溫度范圍為 -55°C 至 +150°C。
遠程操作： 傳統的低電平電壓輸出溫度傳感器的輸出，當位于遠端時，將不可避免地由于噪聲拾取和/或歐姆損耗而遭受信號衰減和錯誤。一些傳感器方案依靠模擬輸出調理來產生用于長距離傳輸的電流輸出（例如，傳統的4-20 mA電流環路）。電流輸出消除了歐姆信號損耗，但額外的級在誤差預算計算中增加了另一個項。
TMP03/04 設計的數字輸出格式允許該溫度傳感器遠離主機系統，而不會降低系統精度；35Hz 低頻輸出進一步確保長距離數據完整性。TMP03 與其主機之間的電纜電容當然會繞過方波輸出的上升沿和下降沿，但相對于 29ms 時鐘周期，微秒級的延遲會增加可以忽略不計的誤差。在大多數應用中，溫度是一個緩慢變化的變量，35 Hz載波對測量動態精度幾乎沒有影響。
如果選擇100 ×更高的輸出頻率，例如3 kHz，則輸出電路需要將高電流驅動到負載電容中，以保持邏輯轉換的短時間令人接受；上升和下降時間之間1 ms的不對稱性會增加約1°C的誤差。高輸出電流要求也會增加所需的電源電流。高頻、低電平傳感器輸出的替代解決方案：即，添加本地RS-232（或RS-485）接口來驅動長電纜，再次增加所需的遠程供電電流。
下表比較了基于 TMP03 的溫度測量系統中的誤差源與基于傳統模擬溫度傳感器的系統中的誤差源：
TMP03 中的誤差預算計算只需要兩個項：數據手冊溫度測量誤差規范和外部數字解碼電路的量化誤差。電子表格計算可用于為外部數字解碼電路選擇所需的計數器分辨率。12位數字計數器解碼方案僅引入0.5°F量化誤差。
TMP03 輸出解碼：TMP03 傳感器使用標記空間比調制（圖 2），體現了關系
其中 TH和 TL是方波輸出的高低周期。
圖2.標記空間比調制方波輸出
使用基本的 TMP03 傳感器誤差規格，測量 T 時引入的誤差H和 TL是確定系統精度所需的唯一其他參數。例如，如果 TH和 TL使用 125kHz 時鐘頻率和 12 位計數器進行測量，由方波輸出的邊緣選通，量化誤差小于 0.5°F。 TH和 TL可以使用分立計數器、可編程邏輯陣列或帶有板載定時器/計數器端口的微處理器方便地進行測量。如果需要絕對溫度，可以使用微處理器或PC進行計算。下表顯示了用于建立 T 的典型計數器分辨率H和 TL值，以及各種時鐘速率下的關聯誤碼值。TMP03/TMP04 數據手冊中描述了計算方法。
表 1.計數器大小和時鐘頻率對量化誤差的影響
評估板使用125 kHz頻率；它允許溫度測量溫度高達85°C（加上~10°C的超量程），并提供大約0.3°C的分辨率。
圖3.TMP03 評估板框圖
TMP03 設計示例 - 評估板：使用可編程邏輯器件構建了一個溫度測量系統，用于輸入多路復用（TMP03信號）并導出TH和 TL、一個 5V RS-232 轉換器和一個最多可容納 03 個 TMP3 的連接器（圖 8）。這種 03 通道溫度測量系統連接到與 IBM 兼容的個人計算機的串行端口，并允許從遠程安裝的 TMP<> 傳感器收集和記錄溫度數據。PC選擇溫度傳感器，記錄數據并執行溫度計算。
PC首先發送通道選擇字節。來自 TMP03 的數字編碼溫度信息（TH/TL方波）使用可編程邏輯器件進行解碼，并將TH和 TL計數值以串行方式發送到 PC。計算機使用公式1計算溫度。基于 Windows 的軟件包提供了一個圖形界面來顯示數據，并允許用戶將數據保存到磁盤。圖 4 顯示了解碼器架構的功能框圖。
圖4.評估板的解碼器架構
這些功能塊在可編程邏輯器件（ICT， Inc. PA7140 PEEL 陣列）中實現：用于通道選擇的傳感器地址寄存器；兩個 12 位定時器 TH和 TL量化）；串行數據檢測和同步，用于傳輸到PC;輸出串行 TH和 TL計數數據；傳感器開路/短路檢測器。
本來可以使用微控制器，但ICT PEEL陣列作為系統控制設備具有明顯的優勢：
易于開發、原型制作、仿真和調試，降低開發和生產成本。
在確定性、寄存器豐富的并行硬件架構中精確控制時序
無需外部數字多路復用器即可容納八個傳感器。通過使用所需數量的數字多路復用器或可編程邏輯器件，可以添加更多通道。例如，一個 144 通道的系統將使用 10 個外部 PLD。
TMP03 提供了“易于設計”的溫度采集系統功能。憑借其多路復用評估板的低成本和易于擴展的特點，從遠程工業溫度檢測到家庭溫度檢測的應用現在都具有成本效益，因為每通道成本低且易于集成。由于易于設計和規格，上市時間很短。
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