集成有温度传感器的10位模数转换器AD7416/AD7417/AD7418及其应用

摘    要：美国ADI公司生产的AD7417/AD7418是十位、四通道/单通道模数转换器，该系统芯片不但具有模数转换功能，片内还集成了温度传感器，可以对周围环境温度进行精确测量(－40℃～＋125℃)。AD7416为温度控制器件，具有过温提示(OTI)功能及可编程错误队列计数器，可以对温度进行精确控制并防止环境噪声的伪触发。文中重点介绍了这组器件的内部结构、功能特点以及应用方法。
关键词：模数转换器；温度传感器；过温度提示；串行总线接口；追踪/保持

概述
ADI公司生产的AD7417/AD7418为十位、四通道/单通道模数转换器片内带有温度传感器，并采用单电源(2.7～5.5 V)供电。器件内含15μs逐次比较型转换器、5通道复用器、温度传感器、时钟振荡器、以及2.5V的基准电压。AD7416为8引脚的温度控制器件，其片内的温度传感器可通过复用器的0通道与模数转换器相连，并具有过温度提示(OTI)功能。其内置的可编程错误队列计数器可以允许一定数量的超量程测量值，并可阻止环境噪声对OTI的伪触发。
由于AD7416/AD7417/AD7418均具有片上温度传感器，因此可对周围环境温度进行精确测量(精度为±1℃@25℃，超过温度范围时的精度为±2℃)，测量范围为-40~+125℃。过温度提示功能可通过对ADC0通道(温度传感器)进行模数转换并将得到的结果与片内过温度寄存器内的数值进行比较来控制。AD7417提供有四个外部电压输入端、一个片上温度传感器、一个片内基准电压以及一个时钟振荡器。
I2C串行总线接口允许AD7416/AD7417/AD7418的寄存器重复擦写。选择AD7416/AD7417的三个最低位地址可以将最多八个AD7416/AD7417连入一根总线。AD7416/AD7417/AD7418在降低功耗方面有非凡的性能，其自动掉电功能可以使芯片在输出速率较低时启动掉电模式来降低功耗。
AD7417/AD7418芯片的主要性能如下：
◆ 10位模数转换器，转换时间为15μs和30μs；
◆ 采用四通道(AD7417)/单通道(AD7418)模拟输入；
◆ 片内集成温度传感器，测量范围为：-40~+125℃；
◆ 可过温度提示(OTI)；
◆ 转换结束后会自动掉电；
◆ 供电范围宽，2.7～5.5 V均可；
◆ 带I2C串行总线接口；
◆ 有可选的串行总线地址，可最多允许八个AD7416/AD7417接入一根总线；
◆ AD7416是LM75非常理想的替代品。
由于AD7416/AD7417/AD7418出色的性能，故可广泛的应用于环境温度检测、工业过程控制、汽车制造业、个人电脑以及一些用电池供电的系统中。AD7416的功能框图如图1所示。

引脚与封装
AD7417具有SIOC和TSSOP两种封装(16管脚）；AD7416和AD7418则具有SOIC和MSOP两种封装(8管脚)，图2是其引脚排列图。AD7417的引脚功能说明如表1所列。AD7416和AD7418的引脚可参考AD7417的相同引脚。

使用说明
◇  转换说明
AD7417/AD7418的转换器的转换由端口的输入脉冲触发，除了串口既要读命令又要写命令以外，其转换时钟可由内部产生而不需要外加时钟。片内的追踪/保持模式具有追踪和保持功能。转换一般由信号的下降沿触发，也可由自动转换模式下的每一个读操作或写操作触发。在后者情况下，内部时钟(自动转换模式时的时钟)将会在读写操作完成后重新启动，大约3μs后追踪/保持电路转成保持模式并开始模数转换，15μs或30μs后得到转换结果(模拟输入信号转换为15μs，温度信号转换为30μs)。通常0通道的转换也需要30μs的时间。
值得注意的是，设计时应推荐将所有未用的模拟输入端连在一起并与GND相连，以避免噪声拾取和降低功耗。
◇  I2C串行总线接口
I2C串行总线接口的作用是通过连接AD7416/AD7417/AD7418实现主器件(如处理器)对其的控制。D7416/AD7417/AD7418有七位串口地址，其中高四位设置为：AD7416－1001,AD7417－0101；低三位则可由用户自行设置(A0至A2)，最多连入八个AD7416/AD7417。当连入AD7418时，高四位也是0101，低三位则全部置零。如果转换运行时出现串口通讯，那么转换将停止并重新开始通讯。
◇  过温度提示(OTI)
过温度提示用于显示当前温度是否超出了限定的范围。输出有比较和中断两种操作模式，可通过配置寄存器的D1位来选择。
(1) 比较模式
D1＝0时为比较模式，当温度超过TOTI时，OTI有输出，并一直保持直到温度降到THYST以下。这种模式适用于调温装置中，如对风扇的控制等。OTI为开漏输出，可通过配置寄存器D2位来设置编程，D2=1表示低电平有效，D2=0表示高电平有效。
(2) 中断模式
D1=1为中断模式，当温度超出TOTI时，OTI显示，并且不论温度是否降至THYST以下都一直保持，直至写操作复位。此模式下，OTI一旦显示就被复位，之后即使温度再超出TOTI也将不再显示，直至温度降至THYST一下后再次激活，同时一直保持激活状态直到被下一次写操作复位。两种模式的比较如图3所示。

由于OTI是开漏输出，因此需要外部上拉电阻，此电阻可接于一个不同于VDD的电压(如3.3~5 V)。上拉电阻的阻值可根据使用的场合而定，但要保证足够大，以避免过大的反向电流使芯片变热或影响温度读数。能满足OTI电流输出的电阻最大值为30kΩ，但如果对输出电流要求不是很高，还可以再适当增大，一般场合10kΩ即可。
◇  错误队列计数器
为了避免噪声环境对器件的伪触发，可以设置配置寄存器的D3和D4位以产生一个错误队列计数器，从而在OTI之前对错误数据进行计数(允许个数为1、2、4或6个)，这种，只有出现连续错误数据的个数满足设置时才触发OTI。例如将错误队列计数器设置为4，那么只有当连续出现4个高出TOTI的数值时才触发OTI，而即使连续出现3个高出的数值和1个正常数值，OTI都不触发。
◇  上电后的缺省值
AD7416/AD7417/AD7418 上电后，常用的缺省值如下：
◆ 温度值寄存器为比较模式
◆ TOTI = 80℃
◆ THYST = 75℃
◆ OTI 显示为低电平
◆ 错误队列计数器＝1
◇  操作模式
AD7416/AD7417/AD7418 有两种模式，可通过设置配置寄存器的D0位来实现。在第一种模式，即模式一时，一般令D0=0。这种模式下，每400μs发生一次转换，转换时，器件一部分处于掉电状态，消耗电流只有350μA。如果读操作发生在转换之中，则转换立即停止并重新开始一个新的转换，此时读到的温度值为上一次转换的数值，在新的转换开始之后，下一次的转换还将间隔400μs；当读操作发生在两次转换之间时，转换将立刻被触发，并且这次转换之后，将恢复400μs的转换间隔。
如VDD为3 V，每400μs一个转换周期，那么，AD7416在一个周期中转换的时间为40μs(占周期的10％)，掉电状态的时间为360μs(占一个周期的90％)，因此，可以算出，由AD7417/AD7418产生的平均功耗为：
3 mW×0.1+1 mW×0.9=1.2 mW
第二种模式：适用于对温度测量的速率要求不很高(如每秒一次)的场合，系统的功耗可通过使器件在两次读操作之间进入完全掉电状态而进一步降低。完全掉电状态可通过配置寄存器的D0为1来实现，此状态下的电流只有0.2μA。测量时，写操作使器件上电，待完成转换后再恢复掉电状态，掉电时仍可以进行读数，因为I2C总线仍在工作。此模式下的功耗取决于读操作的速率。
◇  转换开始方式
仅将引脚置1即可触发转换，一般为低电平有效。上升沿可使系统上电，上电时间为4μs，当为高电平的时间超过4μs时，下降沿触发转换，追踪/保持电路进入保持模式。而如果高电平时间小于4μs，则由其上升沿触发的内部定时器将保持住追踪/保持电路，并在定时结束后触发转换(定时4μs为上电时间)。
转换结束后，输入仍保持低电平，以使器件进入掉电模式。可以看出，在这种操作方式下，一般为低电平，脉冲的高电平可控制上电和转换开始。图4表示测量温度和转换模拟信号时推荐的脉冲时序。

        
        
◇  转换速度
AD7416/AD7417/AD7418的最高频率为2.5 kHz(转换周期400μs)。TOTI和THYST为两个字节，当I2C以100 kbit/s的速度读数时，则需270μs，因此，如果温度读数频率过高，就有可能发生信号混迭，从而产生错误。
应用设计
图5为AD7417的典型外部连接电路。

图中，使用者可以通过A0、A1、A2进行地址选择，以便将最多8个AD7417接在同一个串口总线上。REFIN用于连接外部2.5 V基准电压。当使用外部基准电压时，位在管脚与GND之间连入一10μF的电容器。SDA、SCL则构成双线I2C串行总线接口。
AD7416/AD7417/AD7418均可用于测量空气或物体表面的温度。由于其为低功耗系统，因此，即使器件用导热胶固定在物体表面，其核心温度也只有0.2℃。值得注意的是，当周围空气温度与物体表面温度不同时，应使芯片的背面和管脚与空气彻底绝缘。
另外一点需要注意的是，AD7416/AD7417/AD7418及其相关电路和导线都必须避免接触潮气以防止渗漏和腐蚀，尤其是温度较低容易发生冷凝的环境。必要时可在芯片表面涂上防水漆或涂层，或者将体积较小的AD7416封装在密闭的金属探测器中进行保护。
◇  风扇控制器

图6所示为AD7416应用于风扇控制器的应用电路，当温度高于80℃时启动风扇，低于75℃时关闭风扇。AD7416可单独使用或外加一串口总线接口来测量多个温度。如果外加总线接口，则可设置过温度提示(OTI)为高电平有效，这时可以将Q1和R1省略，将OTI直接连于Q2，图中的R2为上拉电阻。
◇  自动温度调节装置

图7所示为AD7416用作自动调温器的应用电路。该电路可在温度低于THYST时启动加热器，在温度高于OTI时将加热器关闭。在此应用中。如AD7416工作在比较模式，则OTI的输出应设置为低电平有效。
◇  使用多个AD7416的系统
可以通过设置AD7416串口地址的最低三位来连接8个不同的AD7416，其地址分别为1001000到1001111。图8所示是一个在同一根串口总线上连接8个AD7416的系统。这种布局就意味着系统要分别去读每一个芯片以确定发出中断信号的是那个。如果需要单独检测某一个中断，可将其OTI输出单独与I/O连接。