Компания АО «Дизайн Центр «Союз» продолжает развивать серию высоконадежных интегральных датчиков температуры. Микросхемы разработаны с использованием отечественных материалов (включая полупроводниковые кристаллы) и соответствуют критериям «Интегральная схема первого уровня» согласно 719‑му Постановлению Правительства РФ от 17.07.2015 г. (разработка структуры, электрической схемы, топологии, программного обеспечения, изготовление пластин с кристаллами и их измерение, сборка кристаллов в корпуса, измерение и испытание интегральной схемы осуществляется на территории Российской Федерации).
На сегодняшний день компания производит цифровые и аналоговые датчики температуры. Все цифровые датчики содержат встроенный блок АЦП.
Микросхемы 5306НТ015В, 5306НТ015С — цифровые интегральные датчики температуры с интерфейсом 1‑Wire (функциональный аналог DS18b20, компании Maxim Integrated). Микросхемы отличаются напряжением питания: 5306НТ015В — 3,3 В; 5306НТ015 — 5,0 В. Взаимодействие управляющего микроконтроллера с микросхемами 5306НТ015В и 5306НТ015С осуществляется через однопроводной (1‑Wire) интерфейс — низкоскоростной двунаправленный последовательный протокол обмена данными, использующий всего один сигнальный провод DQ (тип выхода — открытый сток). Благодаря адресации (каждая микросхема имеет уникальный 64‑разрядный серийный номер) имеется возможность объединять на одной шине несколько независимо работающих датчиков.
Протокол обмена между управляющим устройством и температурным датчиком состоит из трех команд (инициализация → ROM-команда → функциональная команда). Взаимодействие микроконтроллера с термодатчиком начинается с инициализации: ведущее устройство формирует импульс сброса, а ведомое устройство отвечает импульсом присутствия. Данная процедура позволяет ведущему устройству установить, что ведомые устройства подключены к шине DQ и готовы к работе. Временная диаграмма инициализации представлена на рис. 1.
- search_rom — команда для определения адресов всех микросхем, подключенных к одной шине DQ;
- read_rom — команда для определения адреса микросхемы при условии подключения только одной микросхемы;
- match_rom — команда для обращения микроконтроллера к конкретной микросхеме, подключенной к шине DQ;
- skip_rom — команда для обращения ко всем микросхемам, подключенным к шине DQ.
Рисунок 1. Временная диаграмма инициализации микросхемы
Временная диаграмма записи данных для передачи ROM-команды приведена на рис. 2.
После того как микроконтроллер выполнил ROM-команду, возможно выполнение функциональной команды:
- convert_t — команда для запуска процесса преобразования температуры;
- read_scratchpad — команда для чтения температурного цифрового кода.
Рисунок 2. Временная диаграмма записи данных
Временная диаграмма чтения данных приведена на рис. 3.
Рисунок 3. Временная диаграмма чтения данных
Микросхемы 5306НТ015Е, 5306НТ015К — интегральные датчики температуры с SPI-интерфейсом.
Взаимодействие управляющего микроконтроллера с микросхемо осуществляется через последовательный SPI-интерфейс (режим работы 5306НТ015Е: slave, LSB first, CPOL = 0, CPHA = 1; режим работы 5306НТ015К: slave, LSB first, CPOL = 1, CPHA = 0) с двумя видами сигналов:
- запрос на преобразование температуры;
- считывание результатов преобразования.
Временная диаграмма обращения к микросхеме представлена на рис. 4.
Рисунок 4. Временная диаграмма последовательного интерфейса
Для запроса преобразования температуры необходимо на вывод MOSI задать посылку 0010 0010 0011 0011. В следующий цикл обмена информацией (через 750 мс) на выводе MISO сформируется значение преобразованной температуры.
При отсутствии обращения к микросхеме (сигнала CS = 1) вывод MISO переходит в Z‑состояние; возможно подключение нескольких микросхем на шине.
Микросхема 5400ТР125-014 — цифровой интегральный датчик температуры с I2C-интерфейсом.
Взаимодействие управляющего микроконтроллера с микросхемой осуществляется через низкоскоростной двунаправленный двухпроводной интерфейс I2C. Благодаря адресации (каждая микросхема имеет два внешних вывода с тремя состояниями) имеется возможность объединять на одной шине до восьми независимо работающих датчиков.
Первый пакет данных формирует ведущее устройство, содержит физический адрес и бит на чтение/запись. Обращение ведущего начинается с установки уровня лог. «0» на выводе SDA, что является стартовым сигналом для ведомых устройств. Установка уровня лог. «1» SDA при высоком тактовом сигнале является для ведомых стоп-командой. Структура передачи данных представлена на рис. 5.
Во втором пакете необходимо передать 8 бит адреса указателя: в зависимости от записанного указателя можно произвести чтение 2 байт температурного кода или узнать текущий статус (микросхема в процессе преобразования или преобразование завершено).
Рисунок 5. Структура передачи пакета данных от ведущего устройства
Для запуска преобразования температуры в третьем пакете необходимо передать данные 0011 0011. Временная диаграмма записи данных для запуска преобразования температуры представлена на рис. 6.
Рисунок 6. Временная диаграмма записи данных
Считывание преобразованных данных доступно через 750 мс при подаче команды на рис. 7.
Рисунок 7. Временная диаграмма чтения данных
Микросхема 5400ТР125-015 — температурный компаратор для контроля температуры окружающей среды.
Выход микросхемы переключается в зависимости от порогов срабатывания (TH и TL) и полярности, тип выхода компаратора — открытый сток. Настройка порогов срабатывания и полярности термостата производится пользователем по однопроводному (1‑Wire) интерфейсу.
Диаграмма работы микросхемы при различной полярности приведена на рис. 8.
Рисунок 8. Диаграмма работы микросхемы в зависимости от полярности
Микросхема 5306НТ025 — аналоговый датчик температуры.
Микросхема предназначена для преобразования значений температуры в выходное напряжение. Внешняя калибровка не требуется.
Диапазон выходного напряжения составляет 0,2–4,8 В, что пропорционально соответствует изменению температуры в диапазоне от –60 до 125 °C.
Все микросхемы освоены в компактных 6‑выводных металлокерамических корпусах 5221.6-1 с размерами 4,6×6,3 мм (рис. 9). Дополнительно ведется освоение микросхем в pin-to-pin-совместимом с 5221.6-1 металлопластиковом корпусе SOIC‑6 (рис. 10). Ведется освоение микросхем 5306НТ015В и 5306НТ015С в корпусе TO‑92 (рис. 11). Срок завершения освоения микросхем в корпусах SOIC-6 и TO-92 — II квартал 2024 г.
Рисунок 9. Корпус 5221.6-1 (4,6×6,3 мм)
Рисунок 10. Корпус SOIC-6 (4,6×6,3 мм)
Рисунок 11. Корпус TO-92 (4×17 мм)
В таблице представлены характеристики микросхем, а на рис. 12 — график статистического распределения погрешности измерения температуры.
Таблица . Характеристики микросхем температурных датчиков
Все разработанные термодатчики обладают высокой надежностью (наработка до отказа: 140 тыс. ч) и стойкостью к СВВФ, включая факторы космического пространства:
- стойкость к факторам 7.И не менее 4Ус;
- стойкость к ТЗЧ не менее 60 МэВ·см2/мг.
Калибровка микросхем всех типов проведена, дополнительные настройки не требуются.
- микросхемы 5306НТ015В, 5306НТ015С, 5306НТ015Е и 5306НТ025 серийно освоены и включены в Перечень ЭКБ;
- микросхемы 5306НТ015К, 5400ТР125-014 и 5400ТР125-015 на завершающем этапе испытаний, плановый срок подачи заявки на включение в Перечень ЭКБ — I квартал 2024 г.
Дальнейшим развитием серии является разработка микросхемы 5306НТ035 — датчик температуры с I2C интерфейсом с улучшенными характеристиками в корпусе SOIC-6 (температурная ошибка не более 1,5 °C, время преобразования 200 мс, ток потребления 300 мкА). Также ведется разработка микросхем с интерфейсами 1‑Wire, SPI, I2C в миниатюрном корпусе uDFN8 с размерами 2×2 мм (рис. 13). Плановый срок получения опытных образцов 5306 НТ035 — II квартал 2024 г., микросхем в корпусе uDFN8 — III–IV квартал 2024 г.
Микросхемы высоконадежных температурных датчиков разработаны с использованием отечественных материалов (включая полупроводниковые кристаллы), вероятность срыва поставок из‑за санкционных рисков отсутствует.
Широкий набор стандартных интерфейсов обеспечивает совместимость с используемыми в аппаратуре управляющими микроконтроллерами.
Благодаря адресации возможно объединение нескольких независимо работающих датчиков на одной шине, что существенно снижает количество требуемых выводов управляющего устройства.
Микросхемы обладают высокими показателями надежности, стойкости к внешним факторам и могут применяться в том числе при разработке специальной аппаратуры.
Рисунок 12. График статистического распределения погрешности измерения температуры
Рисунок 13. Корпус uDFN8 (2×2 мм)