你的位置:首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 正文
教你如何用一個(gè)GPIO數(shù)字接口也能測(cè)量溫度的簡(jiǎn)單方式
發(fā)布時(shí)間:2019-10-29 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在關(guān)注機(jī)器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應(yīng)用中,隨著檢測(cè)功能的日趨普及,對(duì)更簡(jiǎn)單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長(zhǎng)。連接到單個(gè)微處理器或FPGA的器件密度不斷增加,而應(yīng)用空間(以及由此導(dǎo)致的I/O引腳數(shù)量)卻受到限制。在理想情況下,所有應(yīng)用都需要一個(gè)ASIC來(lái)提供小巧的集成式解決方案。
Q:如果系統(tǒng)中的FPGA/微處理器上只剩下一個(gè)GPIO,該如何進(jìn)行模擬測(cè)量?
A:可以使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器代替模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在關(guān)注機(jī)器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應(yīng)用中,隨著檢測(cè)功能的日趨普及,對(duì)更簡(jiǎn)單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長(zhǎng)。連接到單個(gè)微處理器或FPGA的器件密度不斷增加,而應(yīng)用空間(以及由此導(dǎo)致的I/O引腳數(shù)量)卻受到限制。在理想情況下,所有應(yīng)用都需要一個(gè)ASIC來(lái)提供小巧的集成式解決方案。
但是,ASIC的開(kāi)發(fā)既耗時(shí)又昂貴,并且不具備滿足其他用途的靈活性。因此,越來(lái)越多的應(yīng)用都在使用微處理器或尺寸小巧的FPGA,以便能夠經(jīng)濟(jì)高效地按時(shí)完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在本文中,我們將探討一種溫度-頻率轉(zhuǎn)換器,它只需要使用一個(gè)GPIO引腳即可提供準(zhǔn)確的溫度結(jié)果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉(zhuǎn)換器用于各種檢測(cè)應(yīng)用。
動(dòng)機(jī)
某些傳感器測(cè)量值(例如溫度、濕度和氣壓)本質(zhì)上是直流電,而且其變化速率并未快到(它們也不需要足夠精確的分辨率)足以保證ADC的需求以及與之相關(guān)的設(shè)計(jì)考慮。大多數(shù)ADC要求快速準(zhǔn)確的時(shí)鐘生成和時(shí)序、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓、具有非常低輸出阻抗的基準(zhǔn)緩沖器以及模擬前端電路,以便對(duì)傳感器輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理,然后才能對(duì)其進(jìn)行數(shù)字量化并通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)時(shí),分立式應(yīng)用可能會(huì)在惠斯通電橋中使用一個(gè)熱敏電阻,然后由儀表放大器獲得其輸出,再饋入ADC。這種設(shè)計(jì)屬于過(guò)度設(shè)計(jì),需要超出應(yīng)用所需的更多空間、功率和計(jì)算周期,而應(yīng)用本身可能僅需要每15秒進(jìn)行一次測(cè)量。
LTC6990
● 固定頻率或電壓控制型操作
- 固定:?jiǎn)蝹€(gè)電阻器負(fù)責(zé)設(shè)置頻率 (最大誤差 < 1.5%)
- VCO:兩個(gè)電阻器負(fù)責(zé)設(shè)定 VCO 中心頻率和調(diào)諧范圍
● 頻率范圍:488Hz 至 2MHz
● 2.25V 至 5.5V 單電源操作
● 72μA 電源電流 (在 100kHz)
● 500μs 啟動(dòng)時(shí)間
● VCO 帶寬 > 300kHz (在 1MHz)
● CMOS 邏輯輸出可供應(yīng) / 吸收 20mA
● 50% 占空比方波輸出
● 輸出使能 (當(dāng)停用時(shí)可以選擇低或高阻抗?fàn)顟B(tài))
-55ºC 至 125ºC 工作溫度范圍
● 采用扁平 (高度僅 1mm) SOT-23 (ThinSOTTM) 封裝和 2mm x 3mm DFN 封裝
能否設(shè)計(jì)一種替代性測(cè)量解決方案,既能減少與ADC信號(hào)鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復(fù)雜性,還能測(cè)量模擬電壓?該解決方案就是采用一個(gè)電壓-頻率轉(zhuǎn)換器(例如 LTC6990, 將其配置為電壓控制振蕩器(VCO)模式,這樣就可以用來(lái)測(cè)量模擬電壓,而無(wú)需ADC。在本示例中,將精密熱電偶放大器 AD8494配置為環(huán)境溫度傳感器,其輸出電壓用作LTC6990的輸入,從而生成一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的信號(hào)鏈。
圖1. 簡(jiǎn)單的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。
如何將溫度輸入轉(zhuǎn)換為頻率輸出?
如今,許多現(xiàn)代電子設(shè)備都需要板載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的方法已有大量的文獻(xiàn)記載。但是,如果測(cè)量解決方案需要一個(gè)ADC,則存在一些與成本、精度和速率相關(guān)的不利因素。通常,測(cè)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于連接的通用解決方案,其精度可以根據(jù)溫度測(cè)量系統(tǒng)的需求而改變。
AD8494是一款熱電偶精密放大器,但它也可以通過(guò)將其輸入短路接地用作環(huán)境溫度傳感器。輸出則定義為:
在使用單極性電源的電路中, –VS=地電壓(0 V),同時(shí)還必須向AD8494的REF引腳施加一個(gè)失調(diào)電壓,從而使輸出電壓偏置高于地電壓,即使環(huán)境溫度為負(fù)時(shí)也是如此。
溫度傳感器的輸出電壓 VOUT定義為:
在VCO模式下,LTC6990的頻率輸出定義為:
由于AD8494的輸出電壓是LTC6990的 VCTRL 因此可以用公式1來(lái)替換公式2中的 VCTRL 設(shè)定 RSET = RVCO 則得到以下結(jié)果:
這樣就可以解出 Tambient 消掉電壓?jiǎn)挝唬谑堑玫焦?:
得到頻率輸出了,有什么用處呢?
頻率輸出的美妙之處在于可以使用單個(gè)GPIO引腳進(jìn)行傳感器測(cè)量。如果使用圖3所示的同步計(jì)數(shù)器電路,那么在其CLK_IN輸入端將始終會(huì)觀察到時(shí)鐘的上升沿。如果將LTC6990的 FOUT 用作輸入時(shí)鐘,則每次檢測(cè)到 FOUT 的上升沿時(shí),計(jì)數(shù)器都會(huì)遞增,從而創(chuàng)建了一個(gè)周期計(jì)數(shù)器。如果每次測(cè)量之間的時(shí)間間隔保持恒定,則可以計(jì)數(shù)給定時(shí)間間隔內(nèi)的周期數(shù),并可通過(guò)浮點(diǎn)運(yùn)算或查找表計(jì)算出頻率。將采集時(shí)間 TAcquisition n除以計(jì)數(shù)所得的周期數(shù),可以得出 FOUT的周期。對(duì)該關(guān)系式取倒數(shù)則得到公式6。
圖2. 一個(gè)以LTC6990輸出作為其時(shí)鐘輸入的4位同步計(jì)數(shù)器。
Verilog代碼示例顯示了一個(gè)通過(guò)使用FPGA上的單個(gè)GPIO輸入來(lái)計(jì)數(shù)周期數(shù)的函數(shù)。采集周期越長(zhǎng),測(cè)量結(jié)果就越精確。在下述代碼示例中,使用了一個(gè)16位計(jì)數(shù)器來(lái)提高分辨率。同時(shí)還假定在架構(gòu)的更高層級(jí)執(zhí)行采集時(shí)間測(cè)量控制邏輯。
圖3. Verilog代碼示例。
圖4. 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)。
結(jié)論
在本應(yīng)用中,我們討論了一種新型的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。它提供了一種精確測(cè)量溫度的低成本方法。如果溫度超過(guò)–40°C至+125°C的工業(yè)溫度范圍,則可在傳感器的輸入端安裝一個(gè)熱電偶。下圖總結(jié)列出了測(cè)量系統(tǒng)的誤差。它說(shuō)明了環(huán)境溫度與輸出頻率以及系統(tǒng)精度之間的線性關(guān)系。盡管此解決方案可能無(wú)法提供非常好的溫度分辨率結(jié)果,但對(duì)于可接受大約±2°C誤差的應(yīng)用,它提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量接口。此外,采用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念也可用于測(cè)量其他類型的傳感器輸出,且無(wú)需使用ADC。
圖5. 溫度誤差。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來(lái)電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索