低成本的微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)控器

摘要：ADM1021是美國ADI公司出品的一種數(shù)字溫度計IC。它具有精度高，價格低，體積小等特點(diǎn)，是便攜式設(shè)備中不可缺少的器件。文章詳細(xì)介紹了ADM1021的工作原理、技術(shù)性能、設(shè)計參數(shù)、應(yīng)用范圍以及注意事項。

關(guān)鍵詞：串行接口 信號調(diào)理 溫度監(jiān)控 ADM1021

1 引言

ADM1021是雙通道的數(shù)字溫度計集成電路，同時可兼做低溫/高溫報警器，非常適用于需要溫度監(jiān)控的個人計算機(jī)及其系統(tǒng)。該器件通過連接的PNP晶體管可以測量微處理器的溫度，而PNP晶體管可由奔騰II或類似的處理器芯片，或者由分立的PNP/NPN器件來提供，比如2N3904/2N3906等。ADM1021采用了新穎的測量方法，從而消除了晶體管的基極射極電壓絕對值。第二個測量通道可用于測量芯片上溫度傳感器的輸出，以監(jiān)控器件及周圍的環(huán)境溫度。ADM1021通過一個與系統(tǒng)控制總線（SM總線）相兼容的雙線串行接口與外界相加，并可通過串行總線把低溫或高溫極限值輸入到器件中。當(dāng)芯片或遠(yuǎn)程溫度超過范圍時，ALERT引腳就會有信號輸出以作為中斷或SM總線的警報信號。ADM1021可廣泛應(yīng)用于臺式機(jī)和筆記本電腦等領(lǐng)域，同時，在通訊系統(tǒng)中也具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 主要技術(shù)性能

圖1是ADM1021的引腳排列圖。表1給出了各引腳的功能說明。

表1 引腳功能介紹

ADM1021內(nèi)含一個雙通道的A/D轉(zhuǎn)換器，利用其特殊的輸入信號調(diào)理功能可對遠(yuǎn)程或芯片上的溫度傳感器進(jìn)行操作。在正常工作時，其A/D轉(zhuǎn)換器一般工作在自由運(yùn)行模式，因此可用模擬輸入多路器來選擇芯片上的溫度傳感器或遠(yuǎn)程溫度傳感器以測量本地或遠(yuǎn)程溫度。對這些信號通過ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，把結(jié)果存入8位本地或遠(yuǎn)程溫度寄存器中，然后把測量結(jié)果與芯片上的4個寄存器的高低溫度極限值進(jìn)行比較。如果超過極限值，將產(chǎn)生標(biāo)志字并交其存入狀態(tài)寄存器，同時將ALERT端的輸出變低。

ADM1021中的極限寄存器是可編程的，因而可通過串聯(lián)的系統(tǒng)控制總線對儀器進(jìn)行設(shè)置和控制。其控制和設(shè)置功能包括：器件工作在正常模式或待機(jī)模式、屏蔽或使能ALERT的輸出以及選擇轉(zhuǎn)換率等。

3 工作原理

測量溫度的一個簡單方法是在恒定電流情況下使用二極的負(fù)溫度系數(shù)或者晶體管的基極一射極電壓。但這種技術(shù)需要消除Vbe絕對值的影響，而Vbc絕對值是隨器件的不同而變經(jīng)的。ADM1021可通過測量器件在兩個不同電流時Vbe的差值來消除其影響。具體公式為：

Δvbe=KT/qln(N)

其中，K是波耳茲曼常數(shù)，q是電子電量（1.6×10 -9庫公侖），T是絕對溫度，單位為開爾文，N是兩電流比值。

圖2是用于測量外部溫度傳感器輸出值的輸入信號調(diào)理功能圖。若用晶體管作為外部溫度傳感器在微處理器上進(jìn)行溫度監(jiān)控時，如果使用的是分立晶體管，則集電極不接地而應(yīng)與基極相連。如果傳感器在噪聲環(huán)境下工作，則應(yīng)加入C1以濾去噪聲。C1通?？蛇x為2200pF，并不能超過3300pF。

為了測量Δvbe，傳感器的工作電流應(yīng)在I與N×I之間，其輸出波形通過65kHz的低通濾波器濾波后送入一個放大器進(jìn)行放大。放大器的功能是放大和修正波形，以提供Δvbe成比例的直流電壓。ADC測量到這個電壓后將給出8位溫度輸出。另外，也可以通過用數(shù)字濾波器取測量平均值的方法來消除噪聲的影響。其內(nèi)部溫度傳感器的信號調(diào)理和測量是以相同方式來進(jìn)行的。表2是ADM1021的溫度數(shù)據(jù)表。

表2 溫度數(shù)據(jù)表

雖然理論上利用ADM1021可以測量-128℃～+127℃的溫度，然而實際的最低溫度限制為-65℃，這是由器件的最大標(biāo)稱值所決定的。因為本地或遠(yuǎn)程溫度值寄存器的測量結(jié)果在存入到本地或遠(yuǎn)程溫度值寄存器中時，要與高低溫極限寄存器中的極限值進(jìn)行比較。

ADM1021利用內(nèi)部9個寄存器來設(shè)置或控制器件，以分別用于存儲本地或遠(yuǎn)程溫度測量結(jié)果和高低溫極限值。表3列出了ADM1021各寄存器的工作情況。需要注意的是：各寄存器是雙口的，其讀寫操作有不同的地址。向讀地址中寫或從寫地址中讀都是非法的。0FH以上的寄存器地址是作為將來使用或取來于工廠檢測的，因此不能進(jìn)行寫操作。

表3 ADM1021的寄存器列表

ADM1021的寫操作包括1個或2個字節(jié)，而讀操作只包括1個字節(jié)。在向器件數(shù)據(jù)寄存器中寫數(shù)據(jù)時，第一個字節(jié)總是包括一個存在地址指針寄存器中的有效地址。如果數(shù)據(jù)即將被寫入器件，則寫操作的第2個字節(jié)應(yīng)寫入到由地址指針寄存器選定的寄存器中。其過程進(jìn)序見圖3所示。

在R/W置0后，器件地址將通過總線送入。第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是即將被寫入的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的地址，它存在于地址指針寄存器中，而第二個數(shù)據(jù)字節(jié)將被寫入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中。

從寄存器中讀取數(shù)據(jù)時，如果ADM1021的地址指針值未知或不指定值，那篤，在從指定的數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)之前需要把它設(shè)定為正確值，這可以通過向ADM1021進(jìn)行寫操作來執(zhí)行。讀操作包括時序總線地址、R/W位置1以及從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)字節(jié)等。此過程如圖4所示。

如果地址指針值寄存器已經(jīng)指向指定的地址，那么數(shù)據(jù)即可從相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中讀出而不必先向地址指針寄存器中寫地址。需要注意的是：ADM1021的讀、寫操作地址不同的。

4 設(shè)計應(yīng)用

4.1 遠(yuǎn)程傳感二極管的選擇

ADM1021可與微處理器中的吸收晶體管或分立的晶體管一起組成一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在微處理器中的晶體管一般為PNP型，而分立器件則不受PNP或NPN型限制。使用NPN型晶體管時，把晶體管的集電極和基極連到ADM1021的D+，發(fā)射極連到D-。如果使用PNP型管，則應(yīng)將集電極和其極連至D-，發(fā)射極連到D+端。在使用分立的晶體管時，為了提高其測量的準(zhǔn)確性，一般應(yīng)遵循以下選擇原則：

（1）當(dāng)基極-發(fā)射極工作在最高溫度時，應(yīng)保證其電流為6μA，并使其電壓大于0.25V；

（2）當(dāng)基極-發(fā)射極工作在最低溫度時，應(yīng)保證其電流為100μA，并使其電壓小于0.95V；

（3）晶體管的基極電阻應(yīng)小于100Ω。

按照以上原則，應(yīng)用時可選用類似于2N3904，2N3906或SOT-23這樣的器件。

4.2 溫度慣性與自動加熱

溫度測量的準(zhǔn)確性依賴于測量情況下遠(yuǎn)程溫度傳感器或內(nèi)部溫度傳感器的溫度值。理論上，傳感器應(yīng)與系統(tǒng)的待測部分（比如微處理器）有很好的溫度接觸。但如果實際中并是如此，那么將會導(dǎo)致傳感器的溫度慣性使其對溫度變化的響應(yīng)產(chǎn)生遲滯。這在遠(yuǎn)程傳感器中問題不大，因為它使用的是微處理器的吸收晶體管或像SOT-23這樣的小器件，而且芯片上的傳感器離微處理器也很遠(yuǎn)。因此，溫度時間常數(shù)大約是10秒。在實際應(yīng)用中，由自動加熱引起溫度升高可以忽略。

5 結(jié)束語

ADM1021是一種精度比較高的雙通道數(shù)字測溫兼警報器件。與其它同類產(chǎn)品相比，它具有設(shè)計新穎，性能穩(wěn)定，使用方便，價格便宜等特點(diǎn)。在各類計算機(jī)、遠(yuǎn)程或本地溫度傳感及通訊系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景