Улучшение схемы измерения температуры

Когда импульсы тока со стабильным отношением верхнего и нижнего уровней I_HIGH/I_LOW модулируют полупроводниковый переход, возникающая при этом разность напряжений (например, ΔV_BE между базой и эмиттером биполярного транзистора) является линейной функцией абсолютной (по Кельвину) температуры T. Эту общеизвестную истину можно использовать для точного измерения температуры. В технической литературе эта взаимосвязь подробно описана в [1-4] и имеет множество реализаций. Данная статья предлагает некоторые направления для улучшения и вариаций базовой идеи. Основная формула, описывающая это явление, выглядит следующим образом:

где величина ΔV выражена в микровольтах. Установка отношения токов I_HIGH/I_LOW = 10 дает ΔV приблизительно 200 мкВ на градус. Ключевым моментом в практической реализации этой идеи является коммутация тока с высокостабильным соотношением I_HIGH/I_LOW, что можно сделать, используя ряд дискретных компонентов. В данной статье предполагается интегрированный подход с цифровым управлением (Рисунок 1).

Рисунок 1.	ЦАП модулирует транзисторы Q1 и Q2 с помощью своих двух токовых выходов; ΔVBE является линейной функцией абсолютной температуры.

Переключение тока со стабильным соотношением I_HIGH/I_LOW осуществляется с помощью ЦАП с токовыми выходами. Типичный ЦАП имеет два токовых выхода – прямой I₁ и комплементарный I₂. Эти выходы позволяют проводить одновременные двухканальные измерения температуры. Отношение токов I_HIGH/I_LOW зависит от входного цифрового кода D_I; этот код можно запрограммировать с помощью микроконтроллера. Очевидно, что схему можно использовать для одноканальных измерений температуры, просто игнорируя второй выход. Если требуется больше двух каналов, можно использовать дополнительные ЦАП или многофазный ЦАП [5].

Схема на Рисунке 1 работает следующим образом. Выходные токи I₁ и I₂ являются функциями входного цифрового кода D_I и входного напряжения V_IN:

и

где

R_EQ – эквивалентное передаточное сопротивление ЦАП,
D_I – десятичный эквивалент входного двоичного кода.

Полный цикл измерения состоит из двух фаз, переключающих коды со значения D₁ на D₂. Если D₁ > D₂, то отношение токов I_HIGH/I_LOW для выхода I₁ равно D₁/D₂.Отношение токов для второго выхода I₂ равно

Для 10-разрядного ЦАП (N = 10) при выборе D₁ = 931 и D₂ = 93 отношение I_HIGH/I_LOW на обоих выходах равно 10.01, что близко к «стандарту» [3] и [4]. Для 8-разрядного ЦАП эти значения равны D₁ = 233 и D₂ = 23, что дает отношение I_HIGH/I_LOW = 10.13 на обоих выходах. Важно, чтобы это соотношение практически не зависело от изменений входного напряжения V_IN. Таким образом, для схемы подойдет любой нестабилизированный источник напряжения. От источника требуется лишь кратковременная стабильность в течение цикла измерения. Кроме того, во многие современные ЦАП интегрированы источники опорного напряжения.

Следует отметить, что применимы и другие отношения I_HIGH/I_LOW. Более того, в общем случае нет необходимости иметь одинаковые соотношения токов для обоих выходов. Таким образом, можно установить разные значения чувствительности для двух каналов. Более высокие соотношения увеличивают чувствительность, но эффекты саморазогрева накладывают определенные ограничения на I_HIGH, а уровни шума устанавливают нижний предел для I_LOW. Таким образом, типичными значениями для биполярных транзисторов общего назначения являются 100 и 10 мкА. Поскольку большинство R-2R ЦАП общего назначения имеют R_EQ от 10 до 100 кОм, следует выбирать подходящее значение V_IN (обычно от 2.5 до 10 В). В качестве альтернативы, чтобы получить желаемый ток I_HIGH, можно использовать дополнительный последовательный резистор R_S (не показан на Рисунке 1), подключенный между источником напряжения и входом ЦАП. Лестничная цепь R-2R имеет эквивалентное входное сопротивление R, которое не меняется с изменением цифрового кода. С дополнительным последовательным резистором эквивалентное передаточное сопротивление становится равным R + R_S. Обратите внимание, что этот последовательный резистор может быть практически любого типа, поскольку его влияние на точность соотношения токов ограничено.

Рисунок 2.	Два операционных усилителя IC1 и IC2 обеспечивают виртуальную землю для обоих токовых выходов ЦАП.

При практической реализации следует учитывать конечное значение V_BE на выходе ЦАП, поскольку его изменение с температурой может повлиять на точность измерений. Если ЦАП имеет внутренние источники тока, можно использовать схему на Рисунке 1 как есть, поскольку V_BE оказывает ограниченное влияние на соотношение токов. В случае использования R-2R ЦАП более подходящей является схема на Рисунке 2. Два операционных усилителя IC₁ и IC₂ поддерживают потенциалы виртуальной земли на обоих токовых выходах, тем самым сохраняя высокую точность отношения токов. Остальная часть схемы на Рисунке 2 выполняет измерения ΔV_BE. Эту часть схемы можно реализовать с помощью усилителя/формирователя сигналов, следящего запоминающего усилителя и АЦП, управляемого любым универсальным микроконтроллером. Советы по реализации можно найти в [3] и [4].

Ссылки

1. Belousov, Alexander, “Temperature Measurement Device,” SU Author Certificate 1599674, registered June 15, 1990.
2. Belousov, Alexander, “Temperature Measurement Device,” SU Author Certificate, registered May 1, 1991.
3. Steele, Jerry, “Sense temperatures without Calibration, Electronic Design, May 13, 1998, pg 130.
4. Setton, Joel, “Multichannel temperature measurement system,” Electronic Design, July 10, 2000.
5. Belousov, Alexander, “Multiphase DAC modifies R-2R ladder,” EDN, Jan 18, 1996, pg 87.