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MCP9700 模拟输出温度传感器与 PICmicro® 单片机的接口
作者:
我们使用 PICkit™ 1 闪存入门工具包演示 MCP9700 与
单片机接口所需要的固件。 PICkit™ 1 闪存入门工具包
是一款低成本的开发工具包,可通过其易于使用的界面
对 Microchip 的 8 引脚和 14 引脚闪存系列单片机进行编
程。
Ezana Haile 和 Jim Lepkowski
Microchip Technology Inc.
简介
演示 MCP9700 设计用于测量温度并通过 PICkit™ 1 闪
存入门工具包中的 LED 显示二 - 十进制码 (BinaryCoded Decimal, BCD)温度。由器件内部的热传感元
件检测温度并将其转换为模拟输出电压。随工具包还提
供了 00059R1.zip 压缩文件,其中含有 PCB 的 Gerber
文件、源代码和 hex 文件(用于对 PIC16F676 编程)。
模拟输出温度传感器芯片相对于传统温度感应器(如热
敏电阻)更易于使用。 MCP9700 提供了许多系统级的
优点,包括将温度传感器和信号调理电路集成在一个芯
片上。 由于模拟输出传感器的输出呈线性,因此它非常
适用于嵌入式系统。本应用笔记将讨论在嵌入式系统中
使用 MCP9700 时的系统集成、固件实现和 PCB 布局等
技术。
PICkit™ 1 闪存入门工具包
个人
电脑
PICmicro®
闪存
MCU
USB
J3
ADC
P1
MCP9700
温度
传感器
VOUT
VDD
+5V
GND
MCP9700 PICtail™
子板
LED 阵列
D7 D6 D5 D4
十位数字
个位数字
D3 D2 D1 D0
温度数据
图 1:
MCP9700 热传感器演示框图
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MCP9700 应用指南
MCP9700 与数模转换器 (ADC)的接口
图 2 所示为典型 ADC 系统的简单示意图。 温度传感器
的输出引脚是由运算放大器来驱动的,运放的输出阻抗
为 ROUT。 ADC 的输入由一个简单的采样保持电路组
成。使用一个开关将信号源与采样电容相连,同时 ADC
测量 CSAMPLE 电容两端的电压以决定温度。 ROUT 和
RSWITCH 电阻以及 CSAMPLE 电容一起构成一个时间常
数,该常数必须小于 ADC 的采样速率 (TSAMPLE)。
可在输出引脚上连接一个大小介于 1 nF 和 100 nF 的外
部电容,以提供额外的滤波功能,并形成一个 ADC 的
抗混叠的滤波器。 电容会影响传感器的时间响应,因此
设计人员必须使电容在每次 ADC 转换之间充分充电。
同样,如果滤波器的电容值太大,传感器放大器可能会
振荡。 在传感器的输出引脚和 CFILTER 之间添加一个阻
值约为 10 到 100Ω 的小电阻,可将传感器的放大器与
容性负载隔离。传感器的输出阻抗 (ROUT)会随频率
变化而变化。因此,如果要将 CFILTER 作为 ADC 的抗
混叠滤波器,就应为有效 ROUT 电阻串联一个电阻。
由于传感器的增益运算放大器(运放)被用作电压缓冲
器,从而使 MCP9700 的输出阻抗小于 1Ω。 负反馈产
生的输出阻抗等于运算放大器的阻抗除以放大器的开环
增益。运算放大器的开环增益相对较大,它反过来强制
使输出阻抗减小。
MCP9700 是采用 CMOS 工艺制造的。由于晶体管的体
积和电流消耗相对较小,所以允许在设计中集成一个缓
冲的输出。与之相反,双极型模拟输出传感器通常不集
成运放缓冲器。这些器件的输出阻抗范围介于 200 到
2000Ω。
RSWITCH
ROUT
采样
保持
VOUT +
–
CFILTER
温度
传感器
CSAMPLE
ADC 输入级
[(ROUT + RSWITCH) x CSAMPLE] ≤ (0.1 x TSAMPLE)
图 2:
模拟输出温度传感器与 ADC 的接口
PCB 布局建议
MCP9700 通过监视位于 IC 芯片上的二极管的电压准确
地测量稳态温度。 由于硅传感器提供的是一种“非接触
式”的温度测量,所以传感器的位置十分重要。芯片的
底层接地,并通过焊接线和封装引脚连接到 PCB 的地
平面。
硅传感器测量 PCB 地平面的温度。 IC 的接地引脚在芯
片和 PCB 之间提供了一条低阻抗的导热通道,使传感
器能有效地监视 PCB 的温度。从封装顶部到周围空气
的导热通道和从封装底部到 PCB 的热导通道的传热效
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率不高,这是因为塑封 IC 起到了绝热的作用。因此,周
围空气的温度对测量影响很小。
建议在电源和接地引脚之间连接一个大小介于0.1 µF到
1 µF 之间的去耦电容,目的是为传感器提供有效的抗噪
声保护。在噪声很大的应用中,通过使用一个带 1 µF 去
耦电容的 200Ω 电阻将供电电压施加给 VDD 引脚。建议
采用陶瓷电容,让电容尽量靠近 MCP9700 的 VDD 和接
地引脚。
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MCP9700 PICtail™ 子板
通过扩展插头 J3 可将 MCP9700 PICtail™ 子板插入
PICkit 1 闪存入门工具包。图 3 显示了将 MCP9700
PICtail 子板插入 PICkit 1 闪存入门工具包的过程。欲了
解有关 PICkit 1 闪存入门工具包的更多信息,请参见
“PICkit™ 1 Flash Starter Kit User’s Guide”
(DS40051)。
扩展
插头
MCP9700 PICtail 子板由 MCP9700 温度传感器和旁路
电容组成。旁路电容器 C1 用于抑制影响 +5 V 直流电源
的噪声, 图 4 给出了该子板的示意图,而图 5 给出了
PCB 的布局图。
MCP9700 PICtail™ 子板
(J3)
USB 电缆
LED D0
LED D7
插入 PIC16F676
PICkit™ 1 闪存入门工具包
图 3:
MCP9700 PICtail™ 子板和 PICkit™ 1 闪存入门工具包
PICkit™ 1
闪存入门工具包
+5V
MCP9700 PICtail™ 子板
(SOT23-3)
J3
13
P1
13
1
VDD
到 ADC RC0
GND
图 4:
10
10
14
14
2
C1
0.1 µF
U1
VOUT
VSS
3
MCP9700 PICtail™ 子板示意图
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独立工作
MCP9700 PICtail 子板也可单独用作评估板。可以对
VDD 和接地测试点加电。通过将示波器或电压表连接到
VOUT 测试点可监视传感器的模拟输出电压。MCP9700
要求工作电压介于 2.5V 和 5.5V 之间。
顶层
图 5:
丝印层
底层
MCP9700 PICtail™ 子板的 PCB 布局
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MCP9700 接口软件
图 6A 给出了 PICtail 固件的流程图。 MCP9700 传感器
的模拟输出电压由 PICmicro® MCU 的 ADC 读取。通过
使用电压 - 温度转换程序可将 ADC 值转换为摄氏度。
MCP9700 提供了一种以摄氏度表示温度的测量方法。
可用软件测试PICkit 1 SW1按钮开关的状态以将温度值
显示为华氏度或摄氏度。如果没按 SW1 按钮,温度值
被转换为摄氏度。否则,如果按下 SW1 按钮,温度值
显示为华氏度。最后,通过子程序 DISPLAY 将温度值
装入 LEDREG 变量,并显示在 LED 上。
随包提供的 00059R1.zip 压缩文件中包含全部源代码文
档以及立即可编程到 PIC16F676 中的 hex 文件。
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开始
初始化
PICmicro®
MCU
初始化
变量
如果温度值为负数,
则将 sign_bit 标志
置 1 而显示该值的
二进制补码
C
嘀哒
计数器
计满?
否
是
是否
按下了
SW1?
是
读取
MCP9700 测得的温度
(ADC 读)
将温度值
乘以 9
电压 - 温度
转换(°C)
否
B
将结果
除以 5
A
图 6A:
MCP9700 PICtail™ 子板的程序流程图
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A
加 32
B
将值转换
为 BCD 码
将值放入
LEDREG
C
图 6B:
MCP9700 PICtail™ 子板的程序流程图 (续)
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附录 A:
成,如图 A-1 所示。由于双极型的电气特性优于
MOSFET 二极管,因此用于温度测量。 MOSFET 二极
管的电流电压关系由门限电压决定,门限电压与制造工
艺有关。
功能说明
构建一个温度传感二极管
IC 传感器是通过监测二极管两端的压降来测量温度的。
MCP9700 使用一个以 CMOS IC 工艺的底层制造的双极
型温度传感二极管。双极型二极管是在 PNP 晶体管的
基础上构建的,通过将相应的 P 结和 N 结组合在一起形
集电极
基极
p+
n+
发射极
p+
n+
p+
⇔
n井
p 型基底
PNP 晶体管
等效二极管
采用 N 井 CMOS 技术的 PNP 晶体管
图 A-1:
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温度传感基底二极管
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基本二极管公式
图 A-2 列出了二极管的电压和电流公式。这些公式显示
二极管的电压与温度、常量 k 和 q 成正比。但是,公式
中还出现了与制造工艺有关的常量 η 和 IS 。 IC 温度传
感器使用一个与带隙参考源类似的电压发生器电路(产
生的电压 VPTAT 与温度成正比)解决了这一与工艺有关
的问题。
If
+
Vf
-
 Vf 
---  
  -η--kT
V
  ---q--- 
  -V--f 
   
T

If = Is  e
– 1 ≅ I s e 










If
V f = kT
--- In  --- 
q  Is 
If
= V T In  --- 
Is
图 A-2:
硅二极管中的非理想常量 (η)在 0.95 到 1.05 之间变
化。但是,将假定 η 等于 1。η 不为 1 的 假设会产生温
度增益和失调误差。传感器的校准过程可以使这一误差
降至最低。
必须将 IS 变量消除,因为 IS 会随温度变化而变化,且
在各个晶圆间也不相同。二极管电压公式中的 IS 变量可
用两种方法消除。第一种方法是使用两个不同的电流源
和一个二极管,而第二种方法是使用一个电流源和两个
不同的二极管。
其中:
If = 正向电流
IS = 饱和电流
k = 波尔兹曼常量
= 1.38 x 10-23 焦耳 /°K
h = 二极管非理想常量
= SPICE 中的发射系数
q = 电子电荷
= 1.6 x 10-19 库仑
T = 绝对温度 (绝对温标)
Vf = 正向电压
VT = 热电压
= kT/q
≅ 26 mV @ 25°C
假设:
η = 1
基本二极管公式
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产生一个与温度成正比的电压
一种方法是使用两个电流源和一个二极管来消除 IS。
图 A-3 给出了其电路的简单示意图,该电路可分别测量
在一个二极管上复用两个电流源时二极管两端的电压。
这些公式显示可通过将两次测得的电压相减来消除 IS 变
量,这相当于在对数公式中计算比值。
采用两个电流源和一个二极管的方法来消除 IS 是由于构
建两个输出成正比的电流源要相对容易一些。 事实上,
选择所产生电流的比值为 10:1 的两个电流源,从而产生
一个温度系数约为 200 µV/°C 的电压。 ∆VEB 公式很重
要,因为它包含了 3 个常量 (k、 q 和 N)和一个温度
变量 T。该公式导出了电压等于一个与常量和温度的乘
积,而消除了与工艺相关的变量 IS。
电压 ∆VEB 也称为 VPTAT 或与绝对温度成正比的电压。
图 A-4 给出了 VPTAT 电压的图示 (呈线性)。电流源的
绝对值并未出现在温度公式中,重要的仅是在温度变化
过程中两个电流源输出的比值。 注意:我们假设 ∆VEB
只随电流和热电压 VT (VT = kT/q)的变化而变化。
∆VEB 的完整公式将更为复杂;但是,复杂的部分由于
对结果只产生次要影响而被忽略了。
消除二极管电压公式中的 IS 项的另一种方法是通过测
量同一电流源产生的两个二极管上的电压而实现的,如
图 A-5 所示。使用这种消除工艺变量 IS 的方法是因为可
通过晶体管的数量来控制电流的大小。 如图 A-5 所示,
通过使 N 个相同的晶体管并联可构建电流比率电路。总
电流被各个晶体管平分,并产生电压 VEB(N)。
∆V E B = V E B (I ) – V E B (I )
2
1
N × I1
I1
= kT
--- In  ---------  – kT
--- In  --- 
IS
IS
q
q
I1
I2 = N x I1
+
VEB
  N × I 1 
  ----I------ 
S
kT
= --- In  ------------- 
q   I1  
 --- 
  IS  
= k- In ( N ) × T
q
xT
= 常量
T
–
其中:
N = 整数
VEB = 发射极与基极间的结点电压
图 A-3:
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产生一个与温度成正比的电压
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VEB
VEB(I2)
∆VEB = VPTAT
VEB(I1)
图 A-4:
IC
I2
I1
由两个电流源和一个二极管产生的 VPTAT 电压的图示
I1
V EB = kT
--- In  --- 
q  IS 
I1
V EB ( N ) = kT
--- In  --------- 
N × IS
q
I1
∆V E B = V E B – V E B (N )
I1
I1
= kT
--- In  ---  – kT
--- In  --------- 
IS
N × IS
q
q
N 晶体管
+
VEB
–
+
VEB(N)
–
  I 1 
  -I-- 
S
kT
= --- In  ---------------
q   I1  
 --------- 
  N × IS  
= k- In ( N ) × T
q
常量 × T
= CONSTANT
图 A-5:
通过一个电流源和两个二极管来产生一个与温度成正比的电压
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MCP9700 内部二极管温度传感器
VPTAT 电路产生的电压的正温度系数相抵消来实现输出
与温度无关。 VEB 电压的温度系数为 -2.2 mV/°C,而
VPTAT 电压的温度系数为 +0.085 mV/°C。将 VPTAT 扩大
K 倍时,其温度系数会按比例调整为 +2.2 mV/°C。 当
VEB 与调整过的 VPTAT 信号叠加时,其对应的温度系数
会相互抵消,从而使输出电压与温度无关。
带隙参考电压
带隙参考电压电路可用来产生在温度变化时仍保持稳定
的参考电压。术语带隙是指 0°K 时硅结点处的理论电
压。如图 A-6 所示,带隙电路通过将 PNP 晶体管的发
射极与基极间的二极管电压 (VEB)的负温度系数与由
V
I1
VEB
VPTAT
KVPTAT
VEB
VREF = 1.25V
+
VPTAT
VREF = VEB + KVPTAT
VREF
KVPTAT
K
T(°C)
温度系数 (@+25°C)
VEB = -2.2 mV/°C
VPTAT = +0.085 mV/°C
图 A-6:
带隙参考电压的概念
图 A-7 给出了带隙电路的简单示意图。这个电路以电流
I1 和 I2 的大小与晶体管的发射区的大小成正比的原理为
R1= p
R2 = p
+
I1
I2
图 A-7:
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VREF
-
R3 = 1
Q1
AE = 1
基础。如果发射区的比率等于 8(n = 8)且电阻率设为
10 (p = 10),则将会产生一个大小为 1.250V 的参考
电压 (VREF)。
VPTAT
V REF = V EB + KV PTAT
kT
V REF = V EB ( Q1 ) + p  ------ In ( n )
q
Q2
AE = n
带隙参考电压构建电路
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结论
参考书目
MCP9700 温度传感器 PICtail 子板演示了将一个模拟输
出 IC 温度传感器集成到 PICmicro 单片机器件(MCU)
的简易性。MCP9700 是一枚 CMOS 数字温度传感器芯
片,它提供了一种测量线性输出电压的方法以解决某些
温度管理问题。MCP9700传感器具备许多系统级优点,
包括将传感器和信号调理电路集成到一个小型 IC 封装
中。这样可让系统集成更容易、占用 PCB 板的空间最
小、元件数最少以及设计时间最短。
1.
2.
3.
4.
5.
 2006 Microchip Technology Inc.
“High-Accuracy CMOS Smart Temperature
Sensors”, Bakker, A. and Huijsing, J., Kluwer
Academic Publishers, Boston, 2000.
AN871, “Solving Thermal Measurement
Problems Using the TC72 and TC77 Digital
Silicon Temperature Sensors”, DS00871,
Lepkowski, J., Microchip Technology Inc., 2003.
PICkit™ 1 Flash Starter Kit User’s Guide,
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MCP9700/01 Data Sheet, “Low-Power Voltage
Output Temperature Sensor”, DS21942,
Microchip Technology Inc., 2005.
AN571, “Using Analog Temperature Sensors
with ADCs”, Maxim Semiconductor, 2001.
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AN981
注:
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请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点:
•
Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。
•
Microchip 确信:在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。
•
目前,仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。就我们所知,所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操
作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。
•
Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作。
•
Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性。代码保护并不意味着我们保证产品是 “牢不可破”的。
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晶圆生产厂均于通过了 ISO/TS-16949:2002 认证。公司在 PICmicro® 8
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