Датчики с цифровым выходом нельзя считать отдельным типом датчиков температуры. Это просто объединение в одном корпусе измерительного элемента (обычно, полупроводникового), схемы усиления-нормирования-лианеризации, аналого-цифрового преобразователя, и схемы формирования выходного цифрового интерфейса.
Мы уже рассмотрели, с разной степенью детализации, почти все составляющие таких датчиков. Кроме двух последних: АЦП и выходного интерфейса. Но они не относятся к собственно измерению температуры.
Поэтому сегодняшняя статья будет короткой. Я кратко коснусь лишь особенностей использования цифровых датчиков.
Аналоговый или цифровой
Сегодня, когда микроконтроллеры используются повсеместно, выбор датчика с цифровым выходом кажется совершенно естественным. Конечно, если такой датчик существует. Например, сложно представить термопару выполненную в виде микросхемы. Но можно конструктивно объединить термопару и блок обработки, например, так
Однако, такие конструкции не являются темой сегодняшней статьи.
Тем не менее, датчики с цифровым выходом имеют более ограниченную область применения. При прочих равных условиях. Так они требуют наличия микроконтроллера в устройстве. Тогда как датчики с аналоговым выходом могут использоваться и в аналоговых схемах, и с схемах аналогово-цифровых (на дискретной логике).
При этом датчики с цифровым выходом удобнее, так как не требуют использования внешних усилителей и АЦП.
Какой тип выхода лучше? Однозначного ответа нет, и быть не может. Все зависит от условий применения. В некоторых случаях может потребоваться и комбинированное решение, когда для выполнения измерений используется цифровой датчик, а для дополнительной защиты от аварийных ситуаций аналоговый. Причем с независимой схемой обработки.
Без причины не беспокоить
У датчиков температуры с цифровым выходом (интегральных) есть одна особенность, о которой иногда забывают. А новички могут просто о ней не знать. Измерительный элемент датчиков не просто размещается в одном корпусе со схемами обработки и управления выходом, зачастую он размещается на одном кристалле.
А это означает, что тепло выделяемое остальными компонентами схемы (особенно, выходным каскадом цифрового выхода) влияет на точность измерений! На форумах можно встретить темы, где жалуются, что цифровые датчики завышают температуру. При более внимательном рассмотрении выясняется, что датчик опрашивается непрерывно, или почти непрерывно. Это и является причиной ошибки измерения температуры.
Безусловно, производители датчиков стараются снизить влияние саморазогрева. Но полностью исключить это невозможно. Даже если измерительный элемент располагается на отдельном кристалле, но в том же корпусе.
Поэтому не стоит опрашивать датчик температуры слишком часто. Температура вообще довольно инерционна, о чем я говорил в первой части этого цикла статей. А корпуса интегральных цифровых датчиков довольно массивны, да и устанавливаются они на печатной плате, что делает изменение их температуры еще более медленным. Это касается и датчиков в корпусах вроде ТО-92, которые имеют длинные выводы, зато более массивный и теплоемкий корпус.
Как устроен цифровой датчик
Как я уже говорил, это просто объединение в одно целое, в одном корпусе, измерительного элемента и схем обработки/формирования.
Я немного схитрил и показал структурную схему на датчика температуры, а датчика температуры/влажности. Просто оно наиболее наглядно и просто, хоть и очень упрощенно, показывает внутренний мир цифровых датчиков. Если убрать блок "RH Sensor", который и измеряет влажность, то мы получим просто датчик температуры.
В этом датчике отсутствует усилитель, так как для полупроводниковых аналоговых датчиков выходной сигнал можно сразу подавать на АЦП. Зато здесь, в отличии от многих других иллюстраций, выделены блоки обработки данных и лианеризации, и памяти калибровочных констант.
Цифровой интерфейс показан единым блоком. Он включает в себя и внутренние регистры датчика, и логику управления цифровой шиной. Давайте посмотрим на возможный вариант внутреннего устройства этого блока, за исключением интерфейсной части
Здесь есть вполне ожидаемые регистры конфигурации и температуры. Регистр указатель относится к логике шины I2C. Блоки "TOS Register", "Timer", "Comparator", "THyst register" относятся к контролю аварийного превышения температуры. На предыдущей иллюстрации эти 4 блока объединены в один блок "Alert Logic".
В целом эти две иллюстрации показывают достаточно типовой вариант построения цифрового датчика. Точнее, один из вариантов. Дополнительно такие датчики могут иметь уникальный идентификатор (как DS1820, например), небольшую энергонезависимую память которую можно использовать для своих целей, стек или очередь событий.
Из цифровых интерфейсов поддерживается большинство самых популярных:
- I2C
- SPI
- 1-Wire
- SMBus
Поскольку интегральные цифровые датчики устанавливаются в корпусе устройства, зачастую на основной печатной плате, нет необходимости поддержки RS-485 или CAN.
Заключение
Как я и говорил, сегодняшняя статья короткая. Я сначала вообще не хотел выделять отдельно датчики с цифровым выходом. Но потом решил, что хотя бы краткого рассказа они заслуживают.
На этом и сегодняшняя статья, и весь краткий цикл о датчиках температуры, заканчивается.
Если вы хотите более подробно познакомиться с каким то типом датчиков, или с конкретным датчиком, напишите в комментариях.