El sensor de salida digital simplifica la adquisición de la temperatura

El TMP03 es un sistema completo de adquisición de datos de temperatura en un chip de silicio monolítico. Compuesto por un sensor de silicio, una referencia de tensión interna y un convertidor A/D sigma-delta, cabe en un encapsulado de transistores TO-92 de 3 patillas (alimentación, común y salida). Su salida digital es un flujo de datos en serie de baja frecuencia y ciclo de trabajo variable, disponible en un colector abierto con una corriente de disipación de 5 mA. Un producto complementario, el TMP04, es idéntico pero tiene una salida compatible CMOS/TTL. La alimentación en reposo necesaria es de unos modestos 1,3 mA a +5 V (rango de 4,5 a 7 V).

La integración de toda la cadena digital de temperatura en un solo chip ahorra espacio, tiempo de diseño y dinero. Además, la salida digital y el reducido número de cables mejoran la fiabilidad y simplifican enormemente el aislamiento y el funcionamiento a distancia. Con menos fuentes de error, el cálculo del presupuesto de errores es más fácil. La salida digital del TMP03 facilita la construcción de sistemas multicanal (los sensores adicionales comparten un decodificador digital multiplexado de bajo coste y de un solo canal). Nuestra placa de evaluación TMP03 es un ejemplo de adquisición de temperatura multicanal de bajo coste.

Las aplicaciones típicas del TMP03 existen "en todas partes"; algunos ejemplos son los sensores aislados, los sistemas de control ambiental, la supervisión térmica de ordenadores, la protección térmica, el control de procesos industriales y los monitores de sistemas de energía.

Descripción del dispositivo: Las referencias de banda prohibida de Analog Devices generan tanto una tensión constante como una tensión PTAT (proporcional a la temperatura absoluta). En el TMP03, se aplican como entradas a un modulador sigma-delta de primer orden. La salida del aparato es una señal digital de 35 Hz (nominal) modulada con precisión en el espacio de la marca e insensible a la frecuencia. La salida compatible TTL/CMOS permite al TMP03 interactuar directamente con la lógica estándar.

Por lo tanto, el TMP03 y el TMP04 son muy adecuados para interactuar directamente con el puerto de entrada de un temporizador/contador de microcontrolador y matrices lógicas programables. El TMP04 proporciona una salida lógica de alta corriente de salida capaz de conducir una capacitancia de carga de 1000 pF con una mínima pérdida de definición de bordes.

Especificaciones del sistema: Al ser completamente autónomo, el TMP03/TMP04 tiene unas especificaciones muy parecidas a las del sistema final. Una única especificación de precisión de temperatura para el TMP03/04 combina los errores debidos a la función de transferencia del sensor, el acondicionamiento de la señal y la conversión. La precisión típica (de -25 a +100°C) es del 1,5% (4% máx.), con una no linealidad de 0,5°C y una sensibilidad de alimentación de 0,7°C/V (1,2°C/V máx.). El rango de temperatura de funcionamiento del dispositivo es de -55°C a +150°C.

Funcionamiento a distancia Las salidas de los sensores de temperatura convencionales de baja tensión, cuando se encuentran a distancia, sufrirán inevitablemente una degradación de la señal y errores debido a la captación de ruido y/o a las pérdidas óhmicas. Algunos esquemas de sensores se basan en el acondicionamiento de la salida analógica para producir una salida de corriente para la transmisión a larga distancia (por ejemplo, el bucle de corriente convencional de 4-20 mA). La salida de corriente elimina las pérdidas óhmicas de la señal, pero la etapa adicional añade otro término al cálculo del presupuesto de error.

El formato de salida digital del diseño del TMP03/04 permite situar este sensor de temperatura lejos del sistema informático anfitrión sin degradar la precisión del sistema; y la salida de baja frecuencia de 35 Hz garantiza aún más la integridad de los datos a largas distancias. La capacitancia del cable entre el TMP03 y su ordenador central redondeará, por supuesto, los flancos ascendentes y descendentes de la salida de onda cuadrada, pero los retrasos del orden de unos pocos microsegundos añaden un error insignificante en comparación con un periodo de reloj de 29 ms. En la mayoría de las aplicaciones, la temperatura es una variable que cambia lentamente, y una portadora de 35 Hz tiene poco efecto en la precisión dinámica de la medición.

Si se hubiera elegido una frecuencia de salida 100 veces mayor, digamos 3 kHz, el circuito de salida habría tenido que enviar corrientes elevadas a la capacitancia de carga para mantener las transiciones lógicas lo suficientemente cortas; una asimetría de 1 ms entre los tiempos de subida y bajada habría añadido aproximadamente 1°C de error. Los elevados requisitos de corriente de salida también aumentan la corriente de alimentación necesaria. Una solución alternativa para una salida de transductor de alta frecuencia y bajo nivel, es decir, la adición de una interfaz local RS-232 (o RS-485) para conducir un cable largo, aumenta aún más la corriente de alimentación remota necesaria.

La tabla compara las fuentes de error de un sistema de medición de temperatura basado en el TMP03 con las de un sistema basado en transductores de temperatura analógicos convencionales:

	Termopar, termistor, RTD, etc	TMP03
Error del sensor : No linealidad, histéresis, deriva a largo plazo	X	X
Acondicionamiento de la señal : No linealidad, unión fría deriva de compensación, histéresis, deriva de ganancia, offset (sobre el rango de temperatura)	X	NA
Escaneo : No linealidad, histéresis, deriva, falta códigos, compensación, transferencia de carga, deriva de referencia	X	X
Referencia : Deriva con la temperatura; deriva con el tiempo	X	NA
Degradación de la señal a distancia	X	NA
Errores de multiplexación (sistemas multicanal)	X	NA

Sólo se necesitan dos términos para el cálculo del presupuesto de error en el TMP03: el error de medición de la temperatura de la hoja de datos y el error de cuantificación del circuito decodificador digital externo. Se puede utilizar un cálculo de hoja de cálculo para seleccionar la resolución del contador deseada para el circuito de descodificación digital externo. Un circuito decodificador de contador digital de 12 bits introduce un error de cuantificación de sólo 0,5°F.

Descodificación de la salida TMP03: El sensor TMP03 utiliza la modulación de la relación espacio-marca (Figura 2), que incluye las siguientes relaciones

donde T_H yT_L son los periodos alto y bajo de la salida de la onda cuadrada.

Con la especificación de error básica del sensor TMP03, los errores introducidos en la medición de T_H yT_L son los únicos otros parámetros necesarios para determinar la precisión del sistema. Por ejemplo, si T_H yT_L se miden utilizando una frecuencia de reloj de 125 kHz y contadores de 12 bits, activados por los bordes de la salida cuadrada, el error de cuantificación es inferior a 0,5°F. T_H yT_L puede medirse cómodamente mediante contadores discretos, matrices lógicas programables o desde un microprocesador con un puerto de temporizador/contador incorporado. Si se necesita la temperatura absoluta, se puede calcular con un microprocesador o un PC. La tabla muestra las resoluciones típicas de los contadores utilizadas para establecer T_H yT_L y los valores de error de bit asociados a las diferentes frecuencias de reloj. El método de cálculo se describe en la ficha técnica del TMP03/TMP04.

Tabla 1. Efectos del tamaño del contador y de la frecuencia del reloj en el error de cuantificación

Contador máximo disponible	Temperatura máxima requerida	Frecuencia máxima	Error de cuantificación (25°C)	Error de cuantificación(77°F)
4096	125°C	94 kHz	0.284°C	0.512°F
8192	125°C	188 kHz	0.142°C	0.256°F
16384	125°C	376 kHz	0.071°C	0.128°F

En la placa de evaluación se utiliza una frecuencia de 125 kHz, que permite medir la temperatura hasta 85°C (más ~10°C de sobreimpulso) y proporciona una resolución de aproximadamente 0,3°C.

Ejemplo de diseño del TMP03: la placa de evaluación : Se ha construido un sistema de medición de la temperatura utilizando un dispositivo lógico programable para multiplexar las entradas (de las señales TMP03) y obtener T_H yT_Leste sistema de medición de temperatura de 8 canales se conecta al puerto serie de un ordenador personal compatible con IBM y permite recoger y registrar datos de temperatura de los sensores TMP03 montados a distancia. Este sistema de medición de temperatura de 8 canales se conecta al puerto serie de un ordenador personal compatible con IBM y recoge y registra los datos de temperatura de los sensores TMP03 montados a distancia. El PC selecciona el sensor de temperatura, registra los datos y realiza el cálculo de la temperatura.

El PC transmite primero el byte de selección de canal. La información de temperatura codificada digitalmente del TMP03 (la T_H/T_L onda cuadrada) se decodifica mediante el dispositivo lógico programable, y el T_H yT_L los valores de recuento se envían en serie al ordenador. El ordenador calcula la temperatura mediante la ecuación 1. El software basado en Windows proporciona una interfaz gráfica para mostrar los datos y permite al usuario guardar los datos en el disco. La figura 4 muestra un diagrama de bloques de la arquitectura del descodificador.

Estos bloques funcionales se implementaron en el dispositivo lógico programable (un PA7140 PEEL Array de ICT, Inc.): registros de dirección del sensor para la selección de canales; dos temporizadores de 12 bits T_H yT_L cuantificación); detección y sincronización de datos en serie, para su transmisión al PC; salida en serie T_H yT_L recuento de datos; detector de sensor abierto/cortocircuito.

Se podría haber utilizado un microcontrolador, pero la matriz ICT PEEL ofrecía claras ventajas como dispositivo de control del sistema:

• Facilidad de desarrollo, creación de prototipos, simulación y depuración, y menor coste de desarrollo y producción.
• Control preciso de la temporización en una arquitectura de hardware determinista, rica en registros y paralela
• Se pueden acomodar ocho sensores sin necesidad de un multiplexor digital externo. Los canales adicionales se añaden utilizando el número necesario de multiplexores digitales o dispositivos lógicos programables. Por ejemplo, un sistema de 144 canales utilizaría 10 PLDs externos.

El TMP03 ofrece la posibilidad de un sistema de adquisición de temperatura "fácil de diseñar". Gracias al bajo coste y a la facilidad de ampliación de su placa de evaluación multiplexada, ahora son rentables aplicaciones que van desde la detección remota de la temperatura industrial hasta la doméstica, gracias al bajo coste por canal y a la facilidad de integración. El tiempo de comercialización es corto debido a la facilidad de diseño y especificación.