温度传感器AD7416的工作原理及应用解析

AD7416是美国模拟器件公司（ADI）出品的单片机温度监控系统集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器，可将感应温度转换为0.25℃量化间隔的数字信号，以便用来与用户设置的温度点进行比较。AD7416片内寄存器可以进行高/低温度门限的设置当温度超过设置门限时，过温漏级开路指示器（OTI）将输出有效信号。另外，可以通过I2C接口对AD7416的内部寄存器进行读/写操作，最多可允许8片AD7416挂接在同一个串行总线上。该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个为计算机等系统。

1 基本特性与引脚功能

AD AD7416具有如下基本特性：

●工作电压范围为+2.7V～+5.5V；

●测温范围为-55℃～+125℃；

●具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃；

●精度为±2℃（-25℃～+100℃）和±3℃（-55℃～+125℃）；

●转换时间为15～30μs，更新速率为400μs；

●带有过温漏级开路指示器（OTI）；

●具有I2C兼容的串行接口和可选的串行总线地址；

●具有低功耗关闭模式（典型值为0.2μA）；

●可用来升级替换LM75。

AD7416采用8脚表面贴SO和8脚小型SOIC封装形式，图1所示为AD7416的引脚排列图，各引脚功能如表1所列。

表1 AD7416引脚功能

引 脚符 号功 能 描 述

1SDA串行数据输入、输出端

2SCL时钟信号输入端

3OTI过温漏级开路输出端

4GND接地端

5A2串行总线地址输入端

6A1串行总线地址输入端

7A0串行总线地址输入端

8VDD电源端

2 工作原理

AD7416的内部功能框图如图2所示。它的片内带隙温度传感器可按预先设置的工作方式对环境温度进行实时测量，并将结果转化为数字量存入到温度值寄存器中（地址00H），其环境温度与输出数据的关系如表2所列。

表2 环境温度与输出数据的关系

环 境 温 度二进制数字输出

-50℃11 0011 1000

-25℃11 1001 1100

-0.25℃11 1111 1111

0℃00 0000 0000

+0.25℃00 0000 0001

+10℃00 0010 1000

+25℃00 0110 0100

+50℃00 1100 1000

+75℃01 0010 1100

+100℃01 1001 0000

+125℃01 1111 0100

AD7416预先设置的工作方式分两种：

●自动测温方式。在这种方式下，AD7416每隔400μs对环境温度测量一次，每次的量化转换时间为15～30μs，其余时间芯片则自动转入休眠状态；

D7 D6 D5D4 D3D2D1D0

通道选择故障排队OTI输出极性比较/中断工作方式

●低功耗方式。这种方式通常应用在测温频率较低的场合。当用户需要对环境温度进行测量时，可通过I2C串行接口总线来写入操作命令，此时，芯片将由休眠状态转入测温状态。当温度量化转换结束后，芯片将重新转入休眠状态。

AD7416内部的配置寄存器（地址01H）为8位读/写寄存器，可用于设置操作方式，其格式为：

配置寄存器各部分的功能如下：

●D7～D5始终设置为000；

●D4和 D3用于设置故障排队长度，以防止测温系统在受到干扰时错误地触发过温指示器（OTI），故障排队长度可分别设置为1、2、4和6次；

●D2用于设置OTI的输出极性。0表示低电平输出，1表示高电平输出；

●D1 用于设置OTI的工作方式。0表示采用比较方式工作，即当环境温度超过TOTI时触发OUT输出，其输出电平一直保持到环境温度降至THYST；1表示采用中断方式工作，即当环境温度超过TOTI的触发OTI输出，其输出电平将一直保持到下一次读操作，而在这期间，即使环境温度降到THYST，输出电平也不翻转；

●D0用于设置工作方式。0表示采用自动测温方式，1表示采用低功耗方式。

THYST温度点寄存器（地址02H）和TOTI温度点寄存器（地址03H）均是16位读/写寄存器，分别用于设置低端和高端温度点的门限值，所设数值以二进制补码的形式存入高9位，其余位置0。

AD7416采用I2C串行总线和数据传输协议来实现同外设的数据传输。在数据传输过程中AD7416作为从器件通过数据输入/输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。其传输时序如图3所示。当SCL保持高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变为数据传输的开始信号，随后传送AD7416的地址信息的读/写控制位。其地址信息的格式为：100A2A1A0R/W。

根据A2A1A0的不同编码，最多可允许8片AD7416挂接同一个串行总线上。读/写控制位为1时，表示对AD7416进行读操作，为0时，则表示进行写操作。当每个字节传送结束时，必须在收到接收数据一方的确认信号（ACK）后方可开始下一步的操作。然后在地址信息和读/写控制位之后传送片内寄存器地址和数据。最后，在SCL保持高电平的情况下，当SDA从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输操作。

3 应用实例

AD7416在每次上电时的默认参数如下：

●TOUI设置为80℃、THYST设置为75℃；

●OTI采用比较方式工作；

●OTI输出低电平有效；

●故障排队长度设置为1。

这些默认值可使该温度传感器在不连接串行总线时用作自动调温器，图4所示就是AD7416作为自动调温器的典型应用电路原理图。当被测量的环境温度低于 THYST时，OTI输出高电平，Q1导通，继电器吸合，加热器开始工作；当被测量的环境温度高于TOTI时，OTI输出低电平，将Q1的基极电位拉低以使其截止，继电器释放，加热器停止工作。

实际应用中应注意以下几个问题：

●为防止环境干扰，AD7416的电源同地线之间要并接容值大于0.1μF的钽电容；

●AD7416的感温器件在芯片内部，因此芯片表面要被测物体紧密接触；

●由于芯片自耗电的存在，AD7416工作时的自身温升约为0.2，所以在精确测温时应采取低功耗的工作方式；

●OTI输出端的上拉电阻的阻值越大，流入AD7416的电流越小，其温升也越小，但上拉电阻最大不能超过30kΩ，通常选10kΩ；

●与I2C兼容的接口总线在AD7416上电后就一直有效，因此在芯片处于休眠状态下仍可进行片内数据的读出和写入。