一種新型數(shù)字溫度測量電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘　要：提出一種內(nèi)嵌時鐘功能的溫度測量電路的設(shè)計(jì)方案。測溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的變化,實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,然后利用數(shù)字信號處理方法計(jì)算得出溫度值,實(shí)現(xiàn)溫度的測量。
 
關(guān)鍵詞：溫度傳感器 振蕩器 FPGA

用傳統(tǒng)的水銀或酒精溫度計(jì)來測量溫度,不僅測量時間長、讀數(shù)不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿足人們在數(shù)字化時代的要求。本文提出了一種新型的數(shù)字式溫度測量電路的設(shè)計(jì)方案,該方案集成了溫度測量電路和實(shí)時日歷時鐘電路。
 
溫度測量電路的測溫范圍在-20℃～50℃之間,分辨率為1℃,測溫時間小于1秒。電路中采用凌特公司的電阻可編程振蕩器LT1799來實(shí)現(xiàn)電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)預(yù)先存儲在ROM中的參數(shù)值進(jìn)行比較映射得到待測溫度值。實(shí)時日歷時鐘電路能顯示年、月、日、星期、時、分、秒七種時鐘信號,用戶可以對時間進(jìn)行設(shè)定或修改。整個電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進(jìn)行了硬件仿真實(shí)現(xiàn),電路設(shè)計(jì)靈活,便于修改。

1 測溫原理

溫度監(jiān)測主要是利用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻,即具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,其電阻值(RT)隨溫度(T)的升高而迅速減小。阻值溫度關(guān)系表達(dá)式為:
　　
式中,A、B是由半導(dǎo)體材料和加工工藝所決定的兩個常數(shù),B值為熱敏指數(shù)。設(shè)計(jì)中選用的是R25℃為100kΩ的MF58高精度測溫?zé)崦綦娮?熱敏指數(shù)為3 650K。
 
LTC1799是一種電阻可編程振蕩器[1],可以產(chǎn)生占空比為50%的方波,并具有溫度穩(wěn)定和電源電壓穩(wěn)定的特性,是一種低功率器件,外圍僅需一個元件,即設(shè)置電阻和旁路電容。LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路如圖1所示,圖中0.1μF的電容接在電源引腳與地之間,可以將電源噪聲降至最低。第1、3引腳之間連接設(shè)置電阻,用來控制輸出頻率,本設(shè)計(jì)中用熱敏電阻替代設(shè)置電阻。第4引腳是一個三態(tài)分頻引腳,決定主控時鐘在輸出前是被1、10或100分頻,設(shè)計(jì)中將該引腳接地,即輸出分頻系數(shù)為1。第5引腳為輸出引腳,輸出頻率與設(shè)置電阻之間的關(guān)系為:
　　
由于熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而改變,這樣便可以通過LTC1799建立溫度和頻率之間的關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。

由(1)、(2)式可知電路設(shè)計(jì)中存在兩種非線性關(guān)系:一是熱敏電阻的阻值和溫度之間的非線性關(guān)系,二是阻值頻率轉(zhuǎn)換時的非線性。對非線性問題,可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理,但算法比較繁瑣,而且要占用大量的硬件資源。因此設(shè)計(jì)中采用了另外一種方法進(jìn)行處理,即利用ROM預(yù)先存儲頻率—溫度的數(shù)據(jù),通過查表法進(jìn)行溫度映射。這樣既避免了非線性問題的影響又節(jié)省了硬件資源。

圖1 LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

從功能上劃分,硬件電路分為溫度測量電路和實(shí)時日歷時鐘電路兩大部分。

2.1 溫度測量電路

2.1.1頻率測量電路
 
頻率測量電路主要是采用頻率計(jì)數(shù)的方法,外部晶體振蕩器分頻后通過門控電路得到周期為2T的采樣基準(zhǔn)信號count_en和計(jì)數(shù)復(fù)位信號count_clr,在采樣基準(zhǔn)信號正半周計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能,計(jì)數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進(jìn)行測量,測量時間恰為T,并在采樣基準(zhǔn)信號的下降沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存。若在時間T內(nèi)計(jì)數(shù)器測得信號脈沖個數(shù)為N,則被測信號的頻率為:FX=N/T。

計(jì)數(shù)復(fù)位信號用于每一次測量開始時對計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位,以清除上次測量的結(jié)果。各信號之間的時序關(guān)系如圖2所示。

圖2 采樣控制信號之間的時序關(guān)系

另外,由于測量過程中被測頻率信號與采樣控制信號之間沒有同步鎖定關(guān)系,在計(jì)數(shù)的末尾將產(chǎn)生