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电工技术基础 ADT7310集成温度传感器的工作原理是什么？性能如何？
ADT7310是一款体SOIC封装高精度数字温度传感器（见图2-158）。它内置一个带隙温度基准源和一个13位ADC，用来监控温度并进行数字转换，分辨率为0.0625℃。默认ADC分辨率设置为13位(0.0625℃)。可以通过设置配置寄存器（寄存器地址Ox01）中的位7将分辨率更改为16位(0.0078℃)。
ADT7310的保证工作电压范围为2.7～5.5V；工作电压为3.3V时，平均电源电流的典型值为2lOouA。ADT7310提供关断模式来实现器件断电，关断电流典型值为2uaADT7310的额定工作温度范围为-55～+150℃。
CT引脚属于开漏输出，当温度超过临界温度限值（可编程）时，该引脚变为有效。默认临界温度限值为147℃。INT引脚也属于开漏输出，当温度超过限值（可编程）时，该引脚变为有效。INT和CT引脚能够以比较器模式或中断模式工作。
图2-159和表2-66给出了ADT7310的引脚配置和引脚功能描述。
1．工作原理
(l)电路信息
ADT7310是一款13位数字温度传感器，可扩展至16位的更高分辨率。片上温度传感器产生与热力学温度成比例的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精密数字调制器。 片上温度传感器在整个额定温度范围内都具有出色的精度和线性度，用户无须进行校正或校准。
传感器输出通过一个A-（亦称电荷平衡换器利用时域过采样和一个高精度比较器在一个极紧凑的电路中实现16位分辨率。
配置寄存器功能包括：
·在13位和16位分辨率之间切换；
· 在正常工作模式和完全关断模式之间切换；
·对INT和CT引脚，在比较器模式和中断事件模式之间切换；
·设置CT和INT引脚的有效极性；
·设置激活CT和INT的故障数量；
使能标准单次采样模式和1 sps模式。
(2)转换器详解
△一∑调制器（见图2-160）包括一个输入采样器、一个求和网络、一个积分器、一个比较器和一个1位DAC。此架构通过响应输入电压变化而改变比较器输出的占空比，从而产生一个负反馈环路，将积分器输出降至最小。比较器以比输入采样频率高得多的速率来对积分器的输出进行采样。此过采样在比输入信号宽得多的频带内扩展量化噪声，从而改善总体噪声性能并提高精度。
比较器的已调输出通过电路进行编码产生SPI温度数据。
(3)温度测量
在正常模式下，ADT7310运行自动转换序列。在此自动转换序列期间，一次转换需240ms完成，并且ADT7310连续进行转换。这意味着，一个温度转换一旦完成，另一温度转换立即开始。每个温度转换结果都存储在温度值寄存器中并可通过SPI接口获得。在连续转换模式下，读取操作提供最近的转换结果(见图2-161)。
上电时，首次转换属于快速转换，典型转换时间为6ms。如果温度超过147℃，则CT引脚置位低电平。如果温度超过64℃，则InT引脚置位低电平。快速转换温度精度典型值在士5。C以内。
器件的转换时钟由内部产生。只有在从串行端口读取或写入串行端口时才需要外部时钟。
所测得的温度值与临界温度限值（存储在16位TCRIT设定点读取／写入寄存器中）、高温限值（存储在16位THIGH设定点读取写入寄存器中）和低温限值（存储在16位TLOW设定点读取／写入寄存器中）相比较。如果该测量值超过这些限值，则激活INT引脚；如果测量值超过TCRIT限值，则激活CT引脚。INT和CT引脚可经由配置寄存器针对极性进行编程，也可经由配置寄存器针对中断模式进行编程。
A.单次采样模式
使能单次采样模式时，ADT7310立即完成一次转换，然后进入关断模式。电路设计优先考虑降低功耗时，单次采样模式非常有用。
要使能单次采样模式，请将配置寄存器（寄存器地址Ox01）的位[6：5]设置为叭。
写入工作模式位之后，从温度值寄存器读回温度之前至少应等待240ms。此延迟时间确保ADT7310有足够的时间上电和完成一次转换。
要获得更新的温度，请将配置寄存器（寄存器地址Ox01）的位[6.5]设置为0l。
此模式下，器件每秒测量一次。一次转换只需60ms，其余940ms周期内，器件都保持在空闲状态。将l和0分别写入配置寄存（寄存器地址Ox01）的位6和位5，使能此模式。
B．单次采样模式下的CT和INT工作
超过一个限值时，针对TCRIT过温事件的单次采样CT引脚工作的更多信息见图2-162。注意，在中断模式下从任何寄存器读取都会复位INT和CT引脚。
对于比较器模式下的INT引脚，如果温度降至THIGH- THYST值以下或升至TLOW+THYST，值以上写入单次采样位（配置寄存器的位5和位6，寄存器地址Ox01）可复位INT引脚。
对于比较器模式下的CT引脚，如果温度降至TCRIT- THYST值以下，则写入单次采样位（配置寄存器的位5和位6，寄存器地址Ox01）可复位CT引脚，参见图2-162。
注意，使用单次采样模式时要确保刷新速率适合所使用的应用。
C．连续读取模式
当命令字节=01010100 (Ox54)（见图2-163）时，无须重复写入通信寄存器便可读出温度值寄存器的内容。通过向ADT7310发送16个SCLK时钟，就能将温度值寄存器的内容输出到DOUT引脚。要退出连续读取模式，必须将命令字节01010000 (Ox50)写入ADT7310。在连续读取模式下，器件会监控DIN线路上的活动，以便能接收指令，退出连续读取模式。此外，如果DIN引脚上连续出现32个l，器件将复位。因此，在连续读取模式下，在有指令要写入器件前，DIN应保持低电平。
在连续读取模式下，当转换正在进行时不能读取温度值寄存器。如果在转换过程中尝试读取温度值寄存器，读取结果将为全0。这是因为连续读取模式禁止在转换期间对温度值寄存器执行读取访问。
D.关断
通过将1分别写入配置寄存器（寄存器地址Ox01）中的位6和位5，可以将ADT7310置于关断模式。通过将0分别写入配置寄存器（寄存器地址Ox01）中的位6和位5，可以使ADT7310退出关断模式。ADT7310退出关断模式的典型时间为Ims（去耦电容为O.lLuF）。即使ADT7310处于关断模式，仍然可以从ADT7310读取关断前最后一次转换的结果。器件退出关断模式时，内部时钟启动，并启动一次转换。
E．故障队列
配置寄存器（寄存器地址Ox01）的位0和位1用于设置故障队列。在高温度噪声环境下使用ADT7310时，队列可提供最多4个故障以防误触发INT和CT引脚。队列中所设故障的数目必须连续发生才能设置INT和CT输出。例如，如果队列中所设故障的数目为4，则在INT和CT引脚被激活之前，必须有4次连续温度转换发生，且每次结果都超过任一限值寄存器中的温度限值。如果两次连续温度转换超过一个温度限值而第三次转换没有超出，则故障计数归零。
(4)温度数据格式
在13位模式下，ADC的一个LSB对应0.0625℃。ADC理论上可以测量255℃的温度范围，但ADT7310可以保证正常工作的测量范围是低值温度限值-55℃至高值温度限值+150℃。温度测量结果存储在16位温度值寄存器中，并与存储在TCRIT设定点寄存器和THIGH设定点寄存器中的高温限值相比较，还与存储在TLOW设定点寄存器中的低温限值相比较。
温度值寄存器、TCRIT设定点寄存器、THiGH设定点寄存器和TLOW设定点寄存器中的温度数据由13位二进制补码字表示。MSB是温度符号位。上电时，位0至位2这三个LSB不是温度转换结果的一部分．而是TCRIT. THIGH和TLOW的标志位。表2-67所示为不带位0至位2的13位温度数据格式。可以通过将配置寄存器（寄存器地址Ox01）中的位7设置为1，将温度数据字中的位数扩展至16位二进制补码。使用16位温度数据值时，位0至位2并不用作标志位，而是用作温度值的LSB位。上电默认设置具有13位温度数据值。
从温度值寄存器读回温度需要2字节读取。使用9位温度数据格式的设计人员仍可使用ADT7310，只需忽略13位温度值的后四个LSB。这四个LSB是表2-67中的位3至位6。
温度转换公式：
a．16位温度数据格式
正温度= ADC码（十进制）/128
正温度= ADC码（十进制）/128
负温度=（ADC码（十进制）-65536）/128
其中，ADC码使用所有16位数据字节，包括符号位。
负温度=（ADC码（十进制）-32768）/128
其中，ADC码去除MSB。
b．13位温度数据格式
正温度= ADC码（十进制）/16
负温度=（ADC码（十进制）-8192）/16
其中，ADC码使用所有13位数据字节，包括符号位。
负温度=（ADC码（十进制）-4096）/16
其中，ADC码去除MSB。
c．10位温度数据格式
正温度=ADC码（十进制）／2
负温度=（ADC码（十进制）-1024）／2
其中，ADC码使用所有10位数据字节，包括符号位。
负温度=（ADC码（十进制）-512）／2
其中，ADC码去除MSB。
d．9位温度数据格式
正温度=ADC码（十进制）
负温度=ADC码（十进制）-512
其中，ADC码使用全部9位数据字节，包括符号位。
负温度=ADC码（十进制）-256
其中，ADC码去除MSB。
(5)寄存器
ADT7310有8个寄存器（见表2-68）：
· 1个状态寄存器：
· 1个配置寄存器；
·5个温度值寄存器；
· 1个ID寄存器，
状态寄存器、温度值寄存器和ID寄存器都是只读寄存器。
A.状态寄存器
此8位只读寄存器（寄存器地址Ox00）（见表2-69）不仅反映过温和欠温中断状态（中断可使CT和INT引脚变为有效），还反映温度转换工作状态。对状态寄存器进行读取操作和／或温度值返同温度限值范围内（包括迟滞）时，此寄存器中的中断标志复位。读取温度值寄存器之后，RDY位复位。在单次采样模式和1 sps模式下，写入单次采样位之后，RDY位复位。
B．配置寄存器
此8位读写寄存器存储ADT7310的各种配置模式，包括关断、过温和欠温中断、单次采样、连续转换、中断引脚极性和过温故障队列（见表2-70）。
C．温度值寄存器
温度值寄存器（见表2-71）存储内部温度传感器测量的温度，存储格式为16位二进制补码。温度以16位值的形式从温度值寄存器（寄存器地址Ox02）回读。
位2、位1和位0是TCRIT、THIGH和TLOW的事件报警标志。如果ADC配置为将温度转换成16位数字值，位2、位1和位0则不再用作标志位，而是用作扩展数字值的LSB位。
D. ID寄存器
此8位只读寄存器在位7至位3中存储制造商ID，在位2至位0中存储芯片版本（见表2-72）。
E．TCRTT设定点寄存器
16位TCRIT设定点寄存器（寄存器地址Ox04）（见表2-73）存储临界过温限值。存储在温度值寄存器中的温度值超过此寄存器中存储的值时，临界过温事件发生。如果发生临界过温事件，则CT引脚被激活。温度以二进制补码格式存储，MSB作为温度符号位。TCRIT设定点的默认设置是147℃。
F．THYST设定点寄存器
8位THYST设定点寄存器（寄存器地址Ox05）（见表2-74）存储THIGH、TLOW和TCRIT温度限值的温度迟滞值。温度迟滞值以直接二进制格式使用4个LSB来存储。增量以l℃为步进，范围为0～15℃。实现迟滞的方式是将此寄存器中的值从THIGH值和TCRIT值减去或与TLOW值相加。THYST设定点的默认设置是5℃。
G. THiGH设定点寄存器
16位THJGH设定点寄存器（寄存器地址Ox06）（见表2-75）存储过温限值。存储在温度值寄存器中的温度值超过此寄存器中存储的值时，过温事件发生。如果发生过温事件，则INT引脚被激活。温度以二进制补码格式存储，MSB作为温度符号位。THvGH设定点的默认设置是64℃。
H. TLOW设定点寄存器
16位TLOW设定点寄存器（寄存器地址Ox07）（见表2-76）存储欠温限值。存储在温度值寄存器中的温度值低于此寄存器中存储的值时，欠温事件发生。如果发生欠温事件，则INT引脚被激活。温度以二进制补码格式存储，MSB作为温度符号位。TLOW设定点的默认设置是10℃。
2．应用设计
(1)串行接口
ADT7310配有一个4线串行外设接口(SPI)。该接口的数据输入引脚(DIN)用于向器件输入数据，数据输出引脚(DOUT)用于从器件回读数据，数据时钟引脚(SCLK)用于向器件逐个输入及从中逐个输出数据，片选引脚( CS)用于使能或禁用串行接口。CS对于该接口的正确操作必不可少。数据在SCLK下降沿逐个从ADT7310输出，在SCLK上升沿逐个输入器件。图2-164给出了与微处理器的连接方式。
(2) SPI命令字节
总线上的所有数据处理都是以主机将/CS从高电平拉到低电平并发出命令字节开始。命令字节告知ADT7310该处理是读操作还是写操作，并提供数据传输的寄存器地址。表2-77显示了命令字节的组成。
要成功开始总线处理，命令字节的位C7必须置0。如果将1写入此位，SPI接口将不能正确工作。位C6是读写位，1表示读操作，0表示写操作。位[C5:C3]包含目标寄存器地址。每个总线处理可以读取或写入一个寄存器。位C2可激活仅对温度值寄存器的连续读取模式。当该位置1时，串行接口经过配置就可以连续从温度值寄存器读取数据。当命令字为01010100 (Ox54)时，无须重复写入设置地址位便可读出温度值寄存器的内容。只需向ADT7310发送16个SCLK时钟，就能将温度值寄存器的内容输出到DOUT引脚。
(3)写入数据
数据以8位或16位形式写入ADT7310，具体取决于所寻址的寄存器。写入器件的第一个字节是命令字节，读写位置0。然后，主机在DIN线上提供8位或16位输入数据。ADT7310在SCLK上升沿将数据逐个输入命令字节所寻址的寄存器。主机将/CS拉高，完成写操作。
图2-165显示对一个8位寄存器的写操作，图2-166显示对一个16位寄存器的写操作。对于每个寄存器写操作，主机都必须在总线上开始一个新的写入处理。每个总线处理只能写入一个寄存器。
(4)读取数据
当主机将读写位置l的命令字节写入ADT7310时，开始读取处理。然后，主机根据所寻址的寄存器提供8个（见图2-167）或16个时钟脉冲（见图2-168），ADT7310则在DOUT线上从所寻址的寄存器逐个输出数据。数据在命令字节之后的第一个SCLK下降沿逐个输出。主机将/CS拉高时，读取处理完成。
对于每个寄存器读操作，主机郡必须在总线上开始一个新的读取处理。每个总线处理只能读取一个寄存器。但在连续读取模式下（命令字节C2=1），可以连续读取温度值寄存器。主机在SCLK上发送16个时钟脉冲，温度值在DOUT上输出。
(5)与DSP或微控制器接口
ADT7310的/CS也可以用作帧同步信号。这种方案适用于DSP接口。此时，由于在DSP中CS -般出现在SCLK的下降沿之后，因此第一位(MSB)会被CS有效地送出。只要遵守时序数要求，SCLK便可以在数据传输之间连续运行。CS也可以与地相连，此时串行接口工作为3线模式，在此模式下DIN、DOUT和SCLK用于与ADT7310通信。在微控制器接口应用中，建议在每两次数据传输之间的空闲时间将SCLK置为高电平。
(6)串行接口复位
对DIN输入写入一连串的1，可以复位串行接口。如在至少32个串行时钟内持续向ADT7310线路内写入逻辑1，可将该串行接口复位。如果软件错误或系统故障导致接口时序丢失，这种方法将可确保接口复位到已知状态。复位操作使接口返回到等待对通信寄存器执行写操作的状态。该操作会将所有寄存器的内容复位到其上电值。复位后，用户应等待500ps访问串行接口。
(7) INT和CT输出
1NT和CT引脚均为开漏输出，两个引脚都需要10 kQ电阻上拉至VDD。INT和CT引脚有两种欠温／过温模式：比较器模式和中断模式.中断模式是上电后的默认过温模式。温度高于存储在THIGH设定点寄存器中的温度或低于存储在TLOW设定点寄存器中的温度时，INT输出引脚变为有效状态。此引脚在此事件后的反应方式取决于所选的过温模式。
图2-169所示为两种引脚极性设置情况下，针对超过THIGH限值的事件的比较器模式和中断模式。图2-170所示为两种引脚极性设置情况下，针对超过TLOW限值的事件的比较器模式和中断模式.
(8)比较器模式
在比较器模式下，温度降至THiGH - THYST限值以下或升至TLOW+ THYST限值以上时，INT引脚返回无效状态。该模式F，将ADT7310置于关断模式不会复位INT状态。
(9)中断模式
在中断模式下，读取任何ADT7310寄存器时，INT引脚将进入无效状态。一旦INT引脚复位，只有在温度高了于存储在THIGH设定点寄存器中的温度或低于存储在TLOW设定点寄存器中的温度的情况下，INT引脚才会再次进入有效状态。该模式下，将ADT7310置于关断模式可复位INT引脚。
3．应用注意事项
(l)热响应时间
温度传感器建立到额定精度所需的时间是传感器的热质量和传感器与检测对象之间的导热率的函数。一般认为热质量等效于电容。导热率常用符号Q表示，可以看作热阻，通常以通过热接点传输的功率(℃/W)为单位。器件建立所需精度要求的时间取决于特定应用中确立的热接触和热源的等效功率。在大部分应J{J中，最好是凭经验确定建立时问。
(2)电源，去耦
应在VDD lj GND之间连接一个O.lUF陶瓷电容来对ADT7310去耦。如果ADT7310安装于离电源较远处时，这点尤其重要。ADT7310等精密摸式需要充分滤波的电源。ADT7310采用单电源供电，l大】此利用数宁逻辑电源看起来较为方便。但是，逻辑电源通常采用开关模式设计，会产生20kHz至IMHz范围内的噪声。此外，由于线路电阻和电感，高速逻辑门会产生幅度达到数
百毫伏的毛刺。
如果可能，应直接从系统电源为ADT7310供电。图2-171所示的配置可以将逻辑开关瞬变与模拟部分隔离开。即使不能使用独立的电源走线，适当的电源旁路仍能降低电源线路引起的误差。包括O.lltF陶瓷电容的本地电源旁路对要实现的温度精度规格来说至关重要。此去耦电容必须尽可能地靠近ADT7310的VDD引脚放置。
(3)温度监控
ADT7310非常适合于监控汽车应用中的热环境。裸片可精确反映影响附近集成电路的确切热条件。ADT7310测量并转换其本身半导体芯片表面的温度。使用ADT7310测量附近热源的温度时，必须考虑热源和ADT7310之间的热阻。
如果热阻确定，则可从ADT7310的输出推导出热源的温度。从热源传输到ADT7310裸片上热传感器的热量有60%之多经由铜走线和焊盘散发掉。在ADT7310}二的焊盘中，GND焊盘传输的热量最多。因此，要测量一个热源的温度，建议尽可能降低ADT7310的GND焊盘与热源的GND之间的热阻。
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