集成有溫度傳感器的10位模數(shù)轉換器AD7416/AD7417/AD7418及其應用

摘    要：美國ADI公司生產的AD7417/AD7418是十位、四通道/單通道模數(shù)轉換器，該系統(tǒng)芯片不但具有模數(shù)轉換功能，片內還集成了溫度傳感器，可以對周圍環(huán)境溫度進行精確測量(－40℃～＋125℃)。AD7416為溫度控制器件，具有過溫提示(OTI)功能及可編程錯誤隊列計數(shù)器，可以對溫度進行精確控制并防止環(huán)境噪聲的偽觸發(fā)。文中重點介紹了這組器件的內部結構、功能特點以及應用方法。
關鍵詞：模數(shù)轉換器；溫度傳感器；過溫度提示；串行總線接口；追蹤/保持

概述
ADI公司生產的AD7417/AD7418為十位、四通道/單通道模數(shù)轉換器片內帶有溫度傳感器，并采用單電源(2.7～5.5 V)供電。器件內含15μs逐次比較型轉換器、5通道復用器、溫度傳感器、時鐘振蕩器、以及2.5V的基準電壓。AD7416為8引腳的溫度控制器件，其片內的溫度傳感器可通過復用器的0通道與模數(shù)轉換器相連，并具有過溫度提示(OTI)功能。其內置的可編程錯誤隊列計數(shù)器可以允許一定數(shù)量的超量程測量值，并可阻止環(huán)境噪聲對OTI的偽觸發(fā)。
由于AD7416/AD7417/AD7418均具有片上溫度傳感器，因此可對周圍環(huán)境溫度進行精確測量(精度為±1℃@25℃，超過溫度范圍時的精度為±2℃)，測量范圍為-40~+125℃。過溫度提示功能可通過對ADC0通道(溫度傳感器)進行模數(shù)轉換并將得到的結果與片內過溫度寄存器內的數(shù)值進行比較來控制。AD7417提供有四個外部電壓輸入端、一個片上溫度傳感器、一個片內基準電壓以及一個時鐘振蕩器。
I2C串行總線接口允許AD7416/AD7417/AD7418的寄存器重復擦寫。選擇AD7416/AD7417的三個最低位地址可以將最多八個AD7416/AD7417連入一根總線。AD7416/AD7417/AD7418在降低功耗方面有非凡的性能，其自動掉電功能可以使芯片在輸出速率較低時啟動掉電模式來降低功耗。
AD7417/AD7418芯片的主要性能如下：
◆ 10位模數(shù)轉換器，轉換時間為15μs和30μs；
◆ 采用四通道(AD7417)/單通道(AD7418)模擬輸入；
◆ 片內集成溫度傳感器，測量范圍為：-40~+125℃；
◆ 可過溫度提示(OTI)；
◆ 轉換結束后會自動掉電；
◆ 供電范圍寬，2.7～5.5 V均可；
◆ 帶I2C串行總線接口；
◆ 有可選的串行總線地址，可最多允許八個AD7416/AD7417接入一根總線；
◆ AD7416是LM75非常理想的替代品。
由于AD7416/AD7417/AD7418出色的性能，故可廣泛的應用于環(huán)境溫度檢測、工業(yè)過程控制、汽車制造業(yè)、個人電腦以及一些用電池供電的系統(tǒng)中。AD7416的功能框圖如圖1所示。

引腳與封裝
AD7417具有SIOC和TSSOP兩種封裝(16管腳）；AD7416和AD7418則具有SOIC和MSOP兩種封裝(8管腳)，圖2是其引腳排列圖。AD7417的引腳功能說明如表1所列。AD7416和AD7418的引腳可參考AD7417的相同引腳。

使用說明
◇  轉換說明
AD7417/AD7418的轉換器的轉換由端口的輸入脈沖觸發(fā)，除了串口既要讀命令又要寫命令以外，其轉換時鐘可由內部產生而不需要外加時鐘。片內的追蹤/保持模式具有追蹤和保持功能。轉換一般由信號的下降沿觸發(fā)，也可由自動轉換模式下的每一個讀操作或寫操作觸發(fā)。在后者情況下，內部時鐘(自動轉換模式時的時鐘)將會在讀寫操作完成后重新啟動，大約3μs后追蹤/保持電路轉成保持模式并開始模數(shù)轉換，15μs或30μs后得到轉換結果(模擬輸入信號轉換為15μs，溫度信號轉換為30μs)。通常0通道的轉換也需要30μs的時間。
值得注意的是，設計時應推薦將所有未用的模擬輸入端連在一起并與GND相連，以避免噪聲拾取和降低功耗。
◇  I2C串行總線接口
I2C串行總線接口的作用是通過連接AD7416/AD7417/AD7418實現(xiàn)主器件(如處理器)對其的控制。D7416/AD7417/AD7418有七位串口地址，其中高四位設置為：AD7416－1001,AD7417－0101；低三位則可由用戶自行設置(A0至A2)，最多連入八個AD7416/AD7417。當連入AD7418時，高四位也是0101，低三位則全部置零。如果轉換運行時出現(xiàn)串口通訊，那么轉換將停止并重新開始通訊。
◇  過溫度提示(OTI)
過溫度提示用于顯示當前溫度是否超出了限定的范圍。輸出有比較和中斷兩種操作模式，可通過配置寄存器的D1位來選擇。
(1) 比較模式
D1＝0時為比較模式，當溫度超過TOTI時，OTI有輸出，并一直保持直到溫度降到THYST以下。這種模式適用于調溫裝置中，如對風扇的控制等。OTI為開漏輸出，可通過配置寄存器D2位來設置編程，D2=1表示低電平有效，D2=0表示高電平有效。
(2) 中斷模式
D1=1為中斷模式，當溫度超出TOTI時，OTI顯示，并且不論溫度是否降至THYST以下都一直保持，直至寫操作復位。此模式下，OTI一旦顯示就被復位，之后即使溫度再超出TOTI也將不再顯示，直至溫度降至THYST一下后再次激活，同時一直保持激活狀態(tài)直到被下一次寫操作復位。兩種模式的比較如圖3所示。

由于OTI是開漏輸出，因此需要外部上拉電阻，此電阻可接于一個不同于VDD的電壓(如3.3~5 V)。上拉電阻的阻值可根據(jù)使用的場合而定，但要保證足夠大，以避免過大的反向電流使芯片變熱或影響溫度讀數(shù)。能滿足OTI電流輸出的電阻最大值為30kΩ，但如果對輸出電流要求不是很高，還可以再適當增大，一般場合10kΩ即可。
◇  錯誤隊列計數(shù)器
為了避免噪聲環(huán)境對器件的偽觸發(fā)，可以設置配置寄存器的D3和D4位以產生一個錯誤隊列計數(shù)器，從而在OTI之前對錯誤數(shù)據(jù)進行計數(shù)(允許個數(shù)為1、2、4或6個)，這種，只有出現(xiàn)連續(xù)錯誤數(shù)據(jù)的個數(shù)滿足設置時才觸發(fā)OTI。例如將錯誤隊列計數(shù)器設置為4，那么只有當連續(xù)出現(xiàn)4個高出TOTI的數(shù)值時才觸發(fā)OTI，而即使連續(xù)出現(xiàn)3個高出的數(shù)值和1個正常數(shù)值，OTI都不觸發(fā)。
◇  上電后的缺省值
AD7416/AD7417/AD7418 上電后，常用的缺省值如下：
◆ 溫度值寄存器為比較模式
◆ TOTI = 80℃
◆ THYST = 75℃
◆ OTI 顯示為低電平
◆ 錯誤隊列計數(shù)器＝1
◇  操作模式
AD7416/AD7417/AD7418 有兩種模式，可通過設置配置寄存器的D0位來實現(xiàn)。在第一種模式，即模式一時，一般令D0=0。這種模式下，每400μs發(fā)生一次轉換，轉換時，器件一部分處于掉電狀態(tài)，消耗電流只有350μA。如果讀操作發(fā)生在轉換之中，則轉換立即停止并重新開始一個新的轉換，此時讀到的溫度值為上一次轉換的數(shù)值，在新的轉換開始之后，下一次的轉換還將間隔400μs；當讀操作發(fā)生在兩次轉換之間時，轉換將立刻被觸發(fā)，并且這次轉換之后，將恢復400μs的轉換間隔。
如VDD為3 V，每400μs一個轉換周期，那么，AD7416在一個周期中轉換的時間為40μs(占周期的10％)，掉電狀態(tài)的時間為360μs(占一個周期的90％)，因此，可以算出，由AD7417/AD7418產生的平均功耗為：
3 mW×0.1+1 mW×0.9=1.2 mW
第二種模式：適用于對溫度測量的速率要求不很高(如每秒一次)的場合，系統(tǒng)的功耗可通過使器件在兩次讀操作之間進入完全掉電狀態(tài)而進一步降低。完全掉電狀態(tài)可通過配置寄存器的D0為1來實現(xiàn)，此狀態(tài)下的電流只有0.2μA。測量時，寫操作使器件上電，待完成轉換后再恢復掉電狀態(tài)，掉電時仍可以進行讀數(shù)，因為I2C總線仍在工作。此模式下的功耗取決于讀操作的速率。
◇  轉換開始方式
僅將引腳置1即可觸發(fā)轉換，一般為低電平有效。上升沿可使系統(tǒng)上電，上電時間為4μs，當為高電平的時間超過4μs時，下降沿觸發(fā)轉換，追蹤/保持電路進入保持模式。而如果高電平時間小于4μs，則由其上升沿觸發(fā)的內部定時器將保持住追蹤/保持電路，并在定時結束后觸發(fā)轉換(定時4μs為上電時間)。
轉換結束后，輸入仍保持低電平，以使器件進入掉電模式?？梢钥闯觯谶@種操作方式下，一般為低電平，脈沖的高電平可控制上電和轉換開始。圖4表示測量溫度和轉換模擬信號時推薦的脈沖時序。

        
        
◇  轉換速度
AD7416/AD7417/AD7418的最高頻率為2.5 kHz(轉換周期400μs)。TOTI和THYST為兩個字節(jié)，當I2C以100 kbit/s的速度讀數(shù)時，則需270μs，因此，如果溫度讀數(shù)頻率過高，就有可能發(fā)生信號混迭，從而產生錯誤。
應用設計
圖5為AD7417的典型外部連接電路。

圖中，使用者可以通過A0、A1、A2進行地址選擇，以便將最多8個AD7417接在同一個串口總線上。REFIN用于連接外部2.5 V基準電壓。當使用外部基準電壓時，位在管腳與GND之間連入一10μF的電容器。SDA、SCL則構成雙線I2C串行總線接口。
AD7416/AD7417/AD7418均可用于測量空氣或物體表面的溫度。由于其為低功耗系統(tǒng)，因此，即使器件用導熱膠固定在物體表面，其核心溫度也只有0.2℃。值得注意的是，當周圍空氣溫度與物體表面溫度不同時，應使芯片的背面和管腳與空氣徹底絕緣。
另外一點需要注意的是，AD7416/AD7417/AD7418及其相關電路和導線都必須避免接觸潮氣以防止?jié)B漏和腐蝕，尤其是溫度較低容易發(fā)生冷凝的環(huán)境。必要時可在芯片表面涂上防水漆或涂層，或者將體積較小的AD7416封裝在密閉的金屬探測器中進行保護。
◇  風扇控制器

圖6所示為AD7416應用于風扇控制器的應用電路，當溫度高于80℃時啟動風扇，低于75℃時關閉風扇。AD7416可單獨使用或外加一串口總線接口來測量多個溫度。如果外加總線接口，則可設置過溫度提示(OTI)為高電平有效，這時可以將Q1和R1省略，將OTI直接連于Q2，圖中的R2為上拉電阻。
◇  自動溫度調節(jié)裝置

圖7所示為AD7416用作自動調溫器的應用電路。該電路可在溫度低于THYST時啟動加熱器，在溫度高于OTI時將加熱器關閉。在此應用中。如AD7416工作在比較模式，則OTI的輸出應設置為低電平有效。
◇  使用多個AD7416的系統(tǒng)
可以通過設置AD7416串口地址的最低三位來連接8個不同的AD7416，其地址分別為1001000到1001111。圖8所示是一個在同一根串口總線上連接8個AD7416的系統(tǒng)。這種布局就意味著系統(tǒng)要分別去讀每一個芯片以確定發(fā)出中斷信號的是那個。如果需要單獨檢測某一個中斷，可將其OTI輸出單獨與I/O連接。