PIC内部温度计

2010MicrochipTechnologyInc.DS01333A_CN第1页AN1333简介许多PIC16系列器件都含有一个内部温度指示器。这些器件包括PIC16F72X器件系列、PIC16F1XXX器件系列和PIC12F1XXX器件系列。温度指示器在内部与ADC的输入多路开关连接（图1）。更多详细信息，请参见特定器件的数据手册。图1：温度指示器这些器件具有一个内部电路，该电路可以基于不同内部晶体管结点阈值电压产生对应于温度的可变输出电压。该指示器可用于测量介于-40°C到+85°C之间的器件温度。要获得精确的结果，用户必须对电路进行校准。使用温度指示器在器件数据手册的温度指示器章节中会详细介绍用于使能温度指示器和选择其工作模式的控制位。指示器利用晶体管结点阈值电压（Vt）的温度系数来产生对应于温度的电压。高量程模式会增加结点的数量，对于温度变化可以产生更好的响应。低量程模式使用的结点较少，从而允许在更宽的器件工作电压范围内使用温度指示电路（见图3）。在单个样片器件上测量时，Vt变化与温度的关系为：公式1：图2：样片PIC16F1937器件的二极管正向电压—温度曲线作者：JonathanDillonMicrochipTechnologyInc.VDDVDD温度指示器使能模式ADCVt0.659TempC40+*(0.00132)–=温度°C内部温度指示器的使用与校准AN1333DS01333A_CN第2页2010MicrochipTechnologyInc.图3：两种工作模式的输出公式为：•低量程Vtemp=VDD–2*Vt•高量程Vtemp=VDD–4*Vt其中：Vtemp是指示器的模拟电压输出VDD是为器件提供的正电压Vt是晶体管的阈值电压，它取决于器件的制造工艺根据公式1和指示器的工作模式，可以得到公式3。电压Vtemp使用内部模数转换器进行测量，它在内部与模拟通道选择多路开关（MUX）连接。要确定输入通道，请参见器件数据手册的ADC章节。在数据手册的温度指示器章节中对模式选择和温度指示器使能进行了介绍。在选择通道选择多路开关（MUX）的温度指示器时，必须让ADC有足够的时间可以在转换启动之前采集电压。公式2给出了模数转换器的传递函数。转换结果取决于模数转换器参考电压的电源电压，对于本文档，正参考电压是电源电压，而负参考电压是地电压。公式2：在工作期间，可以通过对固定参考电压执行模数转换来确定电源电压。但是，如果对VDD进行稳压，或者将外部参考电压与ADC连接，则可以简化计算，因为可以假设它为恒量。VDDVDDnVSS高量程模式Vtemp=VDD-4VtVtVtVtVtVtempVDDVDDnVSS低量程模式Vtemp=VDD-2VtVtVtVtemp高于3.6V工作低于3.6V工作ADCADC注：在选择模式时需要小心，因为在低温时，Vt昀高可能达到0.75V，而一些器件的昀小VDD会低至1.8V。器件以低电压工作时，必须选择低量程，因为Vtemp只能为正电压。当电源电压允许使用高量程模式时，高量程模式是首选的工作模式，因为它的温度响应更好，可以提高温度分辨率。ADCResultVtempVDD--------------*(2n1–=其中：n=ADC分辨率的位数（8或10位）2010MicrochipTechnologyInc.DS01333A_CN第3页AN1333公式3：通过串联二极管而获得的VTEMP电压（根据公式1）结合公式2和公式3，可以得到温度指示器电路输出电压的ADC转换结果与温度的关系：公式4：重新调整公式以计算温度：公式5：如果电源电压不变，当温度发生变化时，温度指示器通道的ADC转换结果会发生如图4所示的线性变化。根据应用，模数转换器的结果可以直接与特定跳变点进行比较，也可以用于通过计算、查找表或两者结合来确定实际温度。图4：ADC结果（十进制）—温度（稳压电源电压）曲线VtempVDDmode*[0.659–TempC40+*0.0132–=其中：高量程模式=4低量程模式=2模式温度°CADCResultVDDmod*[0.659–TempC40+*0.0132–VDD---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*(2n1–=模式温度°CTemperatureC0.659VDDmode-------------1ADCResult(2n1–----------------------------––0.00132----------------------------------------------------------------------------40–=温度模式(°C)AN1333DS01333A_CN第4页2010MicrochipTechnologyInc.校准由于器件之间的失调和斜率存在差异，为了获得更高的精度，需要对温度指示器进行校准。指示器依靠器件的晶体管阈值电压Vt工作，该电压会在生产容差范围内变化。温度指示器可以在目标应用生产过程中通过两种方法进行校准：单点校准在单个温度下进行校准，并假定器件之间的斜率差异是相对稳定的。该方法仅仅针对失调执行校准，器件之间该参数的差异通常较大。双点校准在两个温度下执行校准，并且可以根据它们确定失调和斜率。因此，该方法更为精确，但需要两个存在明显差异的温度。对于以上两种方法，温度可以强制设定（保持为特定值），也可以在校准时通过外部测量方法测量。强制设定温度可以简化校准过程中所需的计算，但从生产角度来说较为困难，并且可能需要一些时间来让器件达到指定温度。强制设定温度或测量温度中的误差会导致所有温度下的温度精度都降低。所需的校准程度取决于应用，一些应用并不需要精确的温度，因而适合使用单点方式进行校准且校准速度更快。同时避免了让设备去改变温度。要进行更精确的温度测量，建议使用双点校准方法。图5：12个样片器件的温度数据注：来自温度指示器的电压取决于器件的电源电压，在对该电压进行稳压的情况下，校准过程昀为简单。对于非稳压电源，还必须通过对内部固定参考电压进行A/D转换来计算电压。应用笔记AN1072，“MeasuringVDDUsingthe0.6VReference”中介绍了使用固定参考电压来确定VDD的技术。温度ADC结果2010MicrochipTechnologyInc.DS01333A_CN第5页AN1333单点校准如图5所示，对有限数量的样片器件的测试结果表明，温度发生变化时Vtemp的响应相对恒定，但是器件之间的失调差异较大。单点校准可以修正这种失调差异，但未考虑到器件之间温度响应斜率的差异。对于这种校准，需要具有对应于强制设定温度或测量温度的理想ADC结果值。各个器件由于温度而产生的Vt变化会有所不同，因此单点校准可能仅仅在校准温度下是精确的，且离校准温度越远，误差就越大（见图6）。在所绘制的ADC结果中出现的领结形状是由于温度响应中可能存在的差异而产生的。测量温度后，公式3给出了获得理想ADC结果值需要进行的计算；而对于强制设定温度，结果可以和与之对应的恒定理想值进行比较。理想情况下，温度位于应用所见工作范围的中点，因为它是领结形状的中心，并且可以昀大程度降低应用工作范围内的温度误差。对于只需要知道特定温度（例如温度极限）的应用，可以通过在该温度下进行校准来获得昀精确的结果。对于模式和电压的一些组合，ADC转换结果具有接近8位的动态范围，因此建议使用双字节的ADC结果数据类型。以较高电压工作时，ADC结果的动态范围介于-40°C至+85°C之间，该范围足够小，可以按比例转换为一个8位数值。样片PIC16F1937器件的条件为：•电源电压为5V•工作于高量程4Vt模式•温度强制设定为25°C模数转换产生的结果为十进制值561。25°C时使用公式3计算的典型模数转换结果为十进制值554。对于单点校准，转换结果和理想A/D转换结果值之间的差就是校准值。因而：公式6：因此对于该器件，校准值为7。将该值存储在器件的非易失性程序存储器或数据EEPROM存储器中，以备在执行温度测量时使用。单点校准假定所有器件具有相似的斜率，但在温度离校准温度越远时，潜在误差就越大，如图6所示。进行温度测量时，需要用校准值来修正ADC结果，以对失调进行调节。公式7：公式8：理想值–测量值=校准值554-561=7校准结果=ADC结果–校准值温度=(ADC结果–校准值)KAN1333DS01333A_CN第6页2010MicrochipTechnologyInc.图6：单点温度校准双点校准双点校准可以测量该器件的温度响应与失调。因此，它可以克服单点校准假设（即所有器件具有相同的温度响应）的缺陷，提高温度精度。双点校准需要应用温度范围内两个存在明显差异的温度。与单点校准一样，这两个温度可以是强制设定温度，也可以是测量温度，但强制设定温度同样可以简化需要进行的计算。图7：双点校准对于非稳压电源电压，设计人员必须计算二极管的温度响应，这需要一些额外的步骤。公式9：校准需要确定A和B，从而可以针对二极管Vt和温度响应的差异来修正ADC结果。如果将温度强制设定为已知温度，则可以将每个校准温度的理想ADC结果存储为恒量，否则如果是在校准过程中通过外部测量温度，则必须计算理想值。然后，可以在公式5中使用校准结果来计算温度。典型值昀大斜率昀小斜率校准温度(°C)校准的ADC结果=A+(B*ADC结果)2010MicrochipTechnologyInc.DS01333A_CN第7页AN1333公式10：这种双点校准可以显著降低二极管温度响应差异的影响，但它依赖于是否能够精确地计算响应。非稳压电压的单点校准对于稳压电压，校准可以简化为调节ADC结果。对于非稳压电源，由于VDD会导致ADC结果发生变化，所以校准值也是VDD的函数，并且必须计算Vt温度失调。这要求知道VDD、校准温度和ADC结果。根据公式3，代入作为Vt失调：Vt失调可以通过在已知温度和电压下执行单次ADC转换而计算得到。对于非稳压应用，电源电压可以通过转换内部固定参考电压或通过在校准过程中提供已知电压来确定。在测量温度时，还必须计算电源电压，以及使用通过校准得到的Vt失调。在校准过程中，需要计算并存储到非易失性存储器中，以备工作期间使用。A/D转换的结果将与电源电压一起代入公式10，以获得工作温度。公式11：公式12：重新调整：公式13：非稳压电压的双点校准对于非稳压电源（例如直接连接电池），将需要计算VDD一次或两次（如果VDD在两个校准温度下不同，例如电池电压随温度下降）。根据温度指示器的工作原理，可以得到：公式14：其中，对于使用非稳压电压的双点校准，将需要计算和。重新调整公式，并在两个温度下进行校准（公式15）：需要考虑的关键点：•介于两个校准温度之间时，结果昀为精确。•两个校准温度之间的距离需要适当，以便可以在给定ADC分辨率下精确地计算斜率。建议两个校准温度分别大约为工作温度范围的20%和80%。•校准温度或电压中的任何误差都会使由于斜率和失调的不精确而产生的读数误差显著增大。•对于稳压电压，在20°C和60°C下进行校准。A=(T1时的理想值–T2时的理想值)/B=T1时的实际值-(A*T1时的理想值)其中：T1校准温度1T2校准温度2(T1时的实际值–T2时的实际值)TemperatureVDD4----------–*1ADCResult1023---------------------------–0.00132-----------------------------------------------------------------40–=温度ADCResultVDD4*[–TempC4