TMP119：超高精度数字温度传感器的卓越之选

在电子设备的设计中，温度监测是一个至关重要的环节。无论是电子温度计、无线环境传感器，还是汽车测试设备等，都需要精确的温度测量。德州仪器（TI）推出的TMP119数字温度传感器，凭借其超高的精度、低功耗以及丰富的功能，成为了众多应用场景下的理想选择。

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1. 产品特性亮点

1.1 高精度测量

TMP119在不同温度范围内都展现出了卓越的精度。在0°C至45°C的范围内，典型精度可达±0.03°C，最大精度为±0.08°C。即使在更宽的温度范围，如 -55°C至150°C，最大精度也能控制在±0.2°C。这种高精度的测量能力，使得TMP119在对温度精度要求极高的医疗设备等领域也能大显身手。

1.2 低功耗设计

对于许多电池供电的设备来说，功耗是一个关键因素。TMP119在这方面表现出色，在1Hz转换周期下，典型功耗仅为3.5μA，关机电流更是低至150nA。这使得它非常适合应用于对功耗敏感的设备，如可穿戴健身和活动监测器等。

1.3 宽电源范围

TMP119的电源范围较宽，在 -55°C至70°C的温度范围内，电源电压可在1.7V至5.5V之间；在 -55°C至150°C的温度范围内，电源电压为1.8V至5.5V。这种宽电源范围的设计，增加了设备的适用性，方便工程师在不同的电源环境下进行设计。

1.4 其他特性

• 16位分辨率：分辨率高达0.0078°C（1 LSB），能够提供更精确的温度数据。
• 可编程温度警报限制：用户可以根据实际需求设置温度警报的上下限，当温度超出设定范围时，设备会发出警报信号。
• 可选择平均功能：通过设置AVG[1:0]位，用户可以配置设备对多次温度转换结果进行平均，以减少转换结果中的噪声。
• 应变容差：TMP119具有内部应变容差特性，能够有效减轻由于DSBGA封装在制造过程中产生的应变所导致的误差。
• 通用EEPROM：拥有48位的通用EEPROM，可用于存储设备的配置参数和通用数据。
• NIST可追溯性：所有TMP119单元都在符合NIST可追溯性的生产设置上进行100%测试，并使用经过ISO/IEC 17025认可标准校准的设备进行验证。
• 接口兼容性：支持SMBus™和I2C接口，方便与其他设备进行通信。
• 医疗级标准：有助于满足ASTM E1112和ISO 80601 - 2 - 56等医疗标准，可用于电子体温计等医疗设备。
• RTD替代方案：可以替代PT100、PT500、PT1000等铂电阻温度探测器（RTD），简化设计过程，同时降低功耗。

2. 应用领域广泛

2.1 电子温度计

凭借其高精度的温度测量能力和医疗级标准的支持，TMP119非常适合用于电子温度计，能够为用户提供准确的体温测量结果。

2.2 无线环境传感器

在无线环境传感器中，TMP119的低功耗特性可以延长设备的电池续航时间，同时高精度的温度测量能够为环境监测提供准确的数据。

2.3 恒温器

TMP119的可编程温度警报限制功能，使得它可以用于恒温器的设计，当温度超出设定范围时及时发出警报，实现对温度的精确控制。

2.4 汽车测试设备

在汽车测试设备中，TMP119可以对汽车内部的温度进行精确测量，为汽车的性能测试和故障诊断提供重要的数据支持。

2.5 可穿戴健身和活动监测器

低功耗和高精度的特点，使得TMP119成为可穿戴健身和活动监测器中温度监测的理想选择，能够在不影响设备续航的前提下，提供准确的温度数据。

2.6 冷链资产跟踪

在冷链物流中，TMP119可以实时监测货物的温度，确保货物在运输过程中的质量安全。

2.7 燃气表和热量表

TMP119可以用于燃气表和热量表中，对环境温度进行测量，提高测量的准确性。

2.8 温度变送器

作为温度变送器的核心部件，TMP119能够将温度信号转换为电信号，实现温度的远程传输和监测。

3. 详细功能解析

3.1 电源启动

当电源电压达到工作范围后，设备需要1.5ms的时间进行启动，之后才能开始进行温度转换。设备也可以被编程为在关机模式下启动。在第一次转换完成之前，温度寄存器读取值为 -256°C。

3.2 平均功能

用户可以通过设置AVG[1:0]位，配置设备对多次温度转换结果进行平均。例如，当AVG设置为01时，设备会执行8次转换，并将这些转换结果进行累加，最后输出平均值。平均功能可以有效减少转换结果中的噪声，但会增加平均活动电流消耗，因为它会增加转换周期中的活动转换时间。

3.3 温度结果和限制

每次转换完成后，设备会将转换结果更新到温度寄存器中。温度寄存器的数据采用16位二进制补码格式，分辨率为7.8125m°C。TMP119还具有警报状态标志和警报引脚功能，通过比较温度结果与高、低限制寄存器中的值，当温度超出设定范围时，会相应地设置或清除配置寄存器中的状态标志。

3.4 应变容差

TMP119的内部应变容差特性，能够有效减轻由于DSBGA封装在制造过程中产生的应变所导致的误差。通过将多个TMP119设备焊接到刚性PCB上，并在不同的弯曲方向下进行测试，可以发现TMP119在应变条件下的温度误差明显小于非应变容忍设备。

3.5 设备功能模式

• 连续转换模式：当配置寄存器中的MOD[1:0]位设置为00或10时，设备进入连续转换模式。在该模式下，设备会持续进行温度转换，并在每次活动转换结束后更新温度结果寄存器。用户可以通过读取配置寄存器或温度结果寄存器来清除数据就绪标志，从而确定转换是否完成。
• 关机模式（SD）：当MOD[1:0]位设置为01时，设备会立即中止当前正在运行的转换，并进入低功耗关机模式。在该模式下，设备会关闭所有活动电路，典型功耗仅为250nA，适合用于电池供电的系统和其他低功耗应用。
• 单次转换模式（OS）：当MOD[1:0]位设置为11时，设备会执行一次温度转换，转换完成后进入低功耗关机模式。单次转换模式的持续时间仅受AVG位设置的影响，CONV位不会影响单次转换的持续时间。
• 热模式和警报模式：TMP119的内置热模式和警报功能可以根据温度是否超过设定的限制或是否在特定温度范围内，向用户发出警报。在警报模式下，设备会比较转换结果与高、低限制寄存器中的值，当温度超出范围时，会设置相应的状态标志，并通过警报引脚发出信号。在热模式下，设备仅比较温度是否超过高限制值，当温度超过高限制时，设置HIGH_Alert状态标志，当温度低于低限制时，清除该标志。

3.6 编程

• EEPROM编程：TMP119具有用户可编程的EEPROM，可用于存储上电复位（POR）值，如高限制寄存器、低限制寄存器、转换周期时间、平均模式、转换模式、警报功能模式和警报极性等，还可以存储四个16位的通用数据。为了防止意外编程，EEPROM默认是锁定的。编程时，需要先解锁EEPROM，然后进行数据写入，编程完成后，需要发出通用调用复位命令，将编程数据加载到相应的寄存器中，并自动锁定EEPROM。
• 指针寄存器：8位的指针寄存器用于寻址给定的数据寄存器，复位值为00。
• I2C和SMBus接口：TMP119作为目标设备，通过SDA和SCL引脚连接到两线、SMBus和I2C接口兼容总线上。该接口支持快速（1kHz至400kHz）模式的传输协议，寄存器字节按最高有效字节优先的顺序发送。
• 总线概述：总线由控制器设备控制，控制器负责生成串行时钟（SCL）、控制总线访问以及生成START和STOP条件。
• 串行总线地址：TMP119具有一个地址引脚，允许在单总线上寻址多达四个设备。通过将ADD0引脚连接到GND、V+、SDA或SCL，可以设置不同的设备地址。
• 读写操作：用户可以通过向指针寄存器写入寄存器地址来访问TMP119上的特定寄存器。读取时，使用最后一次写入操作存储在指针寄存器中的值来确定要读取的寄存器。
• 目标模式操作：TMP119可以作为目标接收器或目标发射器。作为目标接收器，控制器先发送目标地址，然后发送指针寄存器，最后发送数据；作为目标发射器，控制器发送目标地址后，TMP119发送寄存器数据。
• SMBus警报功能：TMP119支持SMBus警报功能。当警报引脚连接到SMBus警报信号且控制器检测到警报条件时，控制器可以发送SMBus ALERT命令，TMP119会响应并返回目标地址，通过目标地址的最低位指示警报是由温度超过高限制还是低于低限制引起的。
• 通用调用复位功能：TMP119响应两线通用调用地址（0000 000），如果第二个字节为0000 0110，则将内部寄存器复位为上电值。
• 超时功能：如果SCL线被控制器保持低电平或SDA线被TMP119保持低电平超过35ms（典型值），TMP119会复位串行接口，释放SDA线并等待主机控制器的START条件。

4. 应用与实现要点

4.1 应用信息

TMP119可用于测量设备安装位置的温度，其可编程地址选项允许在单条串行总线上同时监测多达四个位置的温度。在解码温度数据时，可以使用C代码将16位二进制补码格式的温度数据转换为实际温度值。

4.2 典型应用设计

• 设计要求：TMP119作为目标设备，通过I2C兼容串行接口与主机通信。SDA和ALERT引脚需要上拉电阻，推荐值为5kΩ。建议在V+和GND之间连接一个0.1µF的旁路电容。ADD0引脚可用于选择四个可能的唯一目标ID地址。ALERT输出引脚可连接到微控制器的中断引脚，当温度超过可编程限制时触发事件。
• 详细设计过程
  • 噪声和平均：在禁用平均功能时，设备的温度采样分布覆盖约六个相邻代码，噪声区域在全电源和全温度范围内保持不变，标准偏差约为1 LSB。设备提供1、8、32或64次转换的平均工具，8次采样平均可以将内部噪声分布降低到理论最小值2 LSB。在噪声较大的系统环境中，建议使用更高的平均次数。
  • 自热效应（SHE）：在ADC转换过程中，TMP119会产生一定的功耗，从而导致设备发热。在进行精确测量时，需要考虑自热效应。可以通过系统校准、使用单次转换模式、选择合适的电源电压、优化PCB布局等方法来降低自热效应的影响。
  • 同步温度测量：当需要同时在四个不同位置进行温度测量时，可以通过触发复位来实现同步采样。将四个设备的控制寄存器设置为连续转换模式（CC），转换周期时间为16s，然后通过总线通用调用复位命令触发所有设备同时进行温度采样。

4.3 电源供应建议

TMP119的电源供应范围为1.7V至5.5V，需要在设备的电源和地引脚附近放置一个电源旁路电容，推荐值为100nF。对于噪声较大或阻抗较高的电源，可能需要额外的去耦电容来抑制电源噪声。

4.4 布局要点

• 布局指南：根据不同的应用场景，如测量固体表面温度、移动空气温度或静止空气温度，需要采用不同的布局策略。例如，在测量固体表面温度时，应使用厚度最小的PCB，避免PCB弯曲，覆盖底部铜平面，使用导热膏等；在测量移动空气温度时，可使用较厚铜层的PCB，垂直放置PCB；在测量静止空气温度时，应减小电路板的热质量，进行热隔离等。
• 布局示例：提供了YBG封装的布局建议，包括电源旁路电容、上拉电阻、过孔等的布局位置。

4.5 寄存器映射

TMP119具有多个寄存器，包括温度结果寄存器、配置寄存器、高限制寄存器、低限制寄存器、EEPROM解锁寄存器、EEPROM寄存器、温度偏移寄存器和设备ID寄存器等。每个寄存器都有其特定的功能和操作方法，通过对这些寄存器的配置和操作，可以实现对TMP119的各种功能控制。

5. 总结

TMP119数字温度传感器以其高精度、低功耗、宽电源范围、丰富的功能和广泛的应用领域，为电子工程师在温度监测和控制方面提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和场景，合理配置TMP119的各项参数，优化电路设计和布局，以充分发挥其性能优势。同时，要注意遵循相关的使用规范和注意事项，确保设备的可靠性和稳定性。你在使用TMP119过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。