在關注機器健康和其他物聯網(IoT)解決方案的現代應用中,隨著感測功能的日趨普及,對更簡單的介面以及更少的I/O和更小的元件尺寸的需求也隨之增加。連接到單顆微處理器或FPGA的元件密度不斷增加,而應用空間(以及由此導致的I/O接腳數量)卻受到限制。在理想情況下,所有應用都需要一個ASIC來提供小巧的整合式解決方案。但是,ASIC的開發既耗時又昂貴,並且不具備滿足其他用途的靈活性。

因此,越來越多的應用都在使用微處理器或尺寸小巧的FPGA,以便能夠經濟、高效率地按時完成產品開發。本文將探討一種溫度-頻率轉換器,只需要使用一個GPIO接腳即可提供準確的溫度結果;另外我們還將展示如何將電壓-頻率轉換器用於各種感測應用。

動機

某些感測器測量值(例如溫度、濕度和氣壓)本質上是直流電,而且其變化速率並未快到(它們也不需要足夠精準的解析度)足以保證ADC的需求以及與之相關的設計考慮。大多數ADC要求快速準確的時脈產生和時序、穩定的基準電壓、具有非常低輸出阻抗的基準緩衝器以及類比前端電路,以便對感測器輸出進行適當的訊號處理,然後才能對其進行數位量化並透過系統進行監控。

在進行環境溫度感測時,離散式應用可能會在惠斯通電橋中使用一個熱敏電阻,然後由儀表放大器獲得其輸出,再饋入ADC。這種設計屬於過度設計,其需要超出應用所需的更多空間、功率和運算週期,而應用本身可能僅需要每15秒進行一次測量。

能否設計一種替代性測量解決方案,其既能減少與ADC訊號鏈相關的元件數量和複雜性,還能測量類比電壓?該解決方案就是採用一個電壓-頻率轉換器,例如LTC6990,將其配置為電壓控制振盪器(VCO)模式,這樣就可以用來測量類比電壓,而無需ADC。

在本範例中,將精密熱電偶放大器AD8494配置為環境溫度感測器,其輸出電壓用作LTC6990的輸入,進而產生一個溫度-頻率轉換器的訊號鏈。

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圖1:簡單的溫度-頻率轉換器。

如何將溫度輸入轉換為頻率輸出?

今日許多現代電子設備都需要板載溫度監控系統。將類比訊號轉換為脈寬調變訊號或數位訊號的方法已有大量的文獻記載。但是如果測量解決方案需要一個ADC,則存在一些與成本、精度和速率相關的不利因素。通常,測量越精確,解決方案就越昂貴。該電路提供了一種低成本且易於連接的通用解決方案,其精度可以根據溫度測量系統的需求而改變。

AD8494是一款熱電偶精密放大器,但它也可以透過將其輸入短路接地用作環境溫度感測器。輸出則定義為: 20191030_ADI_TA71F1

在使用單極性電源的電路中,–VS=接地電壓(0V),同時還必須向AD8494的REF接腳施加一個失調電壓,從而使輸出電壓偏置高於地電壓,即使環境溫度為負時也是如此。 溫度感測器的輸出電壓VOUT定義為: 20191030_ADI_TA71F2

在VCO模式下,LTC6990的頻率輸出定義為: 20191030_ADI_TA71F3

由於AD8494的輸出電壓是LTC6990的VCTRL因此可以用公式1來替換公式2中的VCTRL設定,RSET= RVCO則得到以下結果: 20191030_ADI_TA71F4

這樣就可以解出Tambient消掉電壓單位,於是得到公式5: 20191030_ADI_TA71F5

好的,這樣就得到了頻率輸出。這有什麼用處呢?

頻率輸出的美妙之處在於可以使用單個GPIO接腳進行感測器量測。如果使用圖3所示的同步計數器電路,那麼在其CLK_IN輸入端將始終會觀察到時脈的升緣。如果將LTC6990的FOUT用作輸入時脈,則每次感測到FOUT的升緣時,計數器都會遞增,從而創建了一個週期計數器。

如果每次測量之間的時間間隔保持恆定,則可以計數給定時間間隔內的週期數,並可透過浮點運算或查閱資料表計算出頻率。將採集時間TAcquisition除以計數所得的週期數,可以得出FOUT的週期。對該關係式取倒數則得到公式6。 20191030_ADI_TA71F6

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圖2:一個以LTC6990輸出作為其時脈輸入的4位同步計數器。

Verilog程式碼範例顯示了一個透過使用FPGA上的單個GPIO輸入來計數週期數的函數。採集週期越長,測量結果就越精準。在以下的程式碼範例中使用了一個16位元計數器來提高解析度。同時還假定在架構的更高層級執行採集時間量測控制邏輯。

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圖3:Verilog程式碼範例。

結論

在本應用中我們討論了一種新型的溫度-頻率轉換器,它提供了一種精準量測溫度的低成本方法。如果溫度超過–40°C~+125°C的工業溫度範圍,則可在感測器的輸入端安裝一個熱電偶。

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圖4:溫度-頻率轉換器傳遞函數。

下圖之總結列出了測量系統的誤差,它同時亦說明了瞭環境溫度與輸出頻率以及系統精度之間的線性關係。儘管此解決方案可能無法提供非常好的溫度解析度結果,但對於可接受大約 ±2°C誤差的應用而言,它提供了一個經濟簡單的溫度測量介面。此外,採用電壓-頻率轉換器的概念也可用於測量其他類型的感測器輸出,且無需使用ADC。

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圖5:溫度誤差。