用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度？教你一個簡單方法
[導讀]Q:如果系統(tǒng)中的FPGA/微處理器上只剩下一個GPIO，該如何進行模擬測量？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)注機器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應用中，隨著檢測功能的日趨普及，對更簡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。連接到單個微處...
Q:如果系統(tǒng)中的FPGA/微處理器上只剩下一個GPIO，該如何進行模擬測量？
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)注機器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應用中，隨著檢測功能的日趨普及，對更簡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。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加，而應用空間（以及由此導致的I/O引腳數(shù)量）卻受到限制。在理想情況下，所有應用都需要一個ASIC來提供小巧的集成式解決方案。
但是，ASIC的開發(fā)既耗時又昂貴，并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(jīng)濟高效地按時完成產(chǎn)品開發(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GPIO引腳即可提供準確的溫度結(jié)果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉(zhuǎn)換器用于各種檢測應用。
動機
某些傳感器測量值（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)的設計考慮。大多數(shù)ADC要求快速準確的時鐘生成和時序、穩(wěn)定的基準電壓、具有非常低輸出阻抗的基準緩沖器以及模擬前端電路，以便對傳感器輸出進行適當?shù)男盘栒{(diào)理，然后才能對其進行數(shù)字量化并通過系統(tǒng)進行監(jiān)控。在進行環(huán)境溫度檢測時，分立式應用可能會在惠斯通電橋中使用一個熱敏電阻，然后由儀表放大器獲得其輸出，再饋入ADC。這種設計屬于過度設計，需要超出應用所需的更多空間、功率和計算周期，而應用本身可能僅需要每15秒進行一次測量。
LTC6990
能否設計一種替代性測量解決方案，既能減少與ADC信號鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復雜性，還能測量模擬電壓？該解決方案就是采用一個電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（例如 LTC6990, 將其配置為電壓控制振蕩器(VCO)模式，這樣就可以用來測量模擬電壓，而無需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，從而生成一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的信號鏈。
圖1. 簡單的溫度-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)代電子設備都需要板載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號或數(shù)字信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(guān)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于連接的通用解決方案，其精度可以根據(jù)溫度測量系統(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)，同時還必須向AD8494的REF引腳施加一個失調(diào)電壓，從而使輸出電壓偏置高于地電壓，即使環(huán)境溫度為負時也是如此。
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來替換公式2中的 VCTRL?設定 RSET?= R-VCO?則得到以下結(jié)果：
這樣就可以解出?Tambient?消掉電壓單位，于是得到公式5：
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GPIO引腳進行傳感器測量。如果使用圖3所示的同步計數(shù)器電路，那么在其CLK_IN輸入端將始終會觀察到時鐘的上升沿。如果將LTC6990的 FOUT?用作輸入時鐘，則每次檢測到 FOUT?的上升沿時，計數(shù)器都會遞增，從而創(chuàng)建了一個周期計數(shù)器。如果每次測量之間的時間間隔保持恒定，則可以計數(shù)給定時間間隔內(nèi)的周期數(shù)，并可通過浮點運算或查找表計算出頻率。將采集時間 TAcquisition?n除以計數(shù)所得的周期數(shù)，可以得出 FOUT的周期。對該關(guān)系式取倒數(shù)則得到公式6。
圖2. 一個以LTC6990輸出作為其時鐘輸入的4位同步計數(shù)器。
Verilog代碼示例顯示了一個通過使用FPGA上的單個GPIO輸入來計數(shù)周期數(shù)的函數(shù)。采集周期越長，測量結(jié)果就越精確。在下述代碼示例中，使用了一個16位計數(shù)器來提高分辨率。同時還假定在架構(gòu)的更高層級執(zhí)行采集時間測量控制邏輯。
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量溫度的低成本方法。如果溫度超過–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熱電偶。下圖總結(jié)列出了測量系統(tǒng)的誤差。它說明了環(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法提供非常好的溫度分辨率結(jié)果，但對于可接受大約±2°C誤差的應用，它提供了一個經(jīng)濟簡單的溫度測量接口。此外，采用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念也可用于測量其他類型的傳感器輸出，且無需使用ADC。
圖5. 溫度誤差。踏上新征程，ADI與同濟大學DIAN Racer同行！
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)注機器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應用中，隨著檢測功能的日趨普及，對更簡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。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加，而應用空間（以及由此導致的I/O引腳數(shù)量）卻受到限制。在理想情況下，所有應用都需要一個ASIC來提供小巧的集成式解決方案。
但是，ASIC的開發(fā)既耗時又昂貴，并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(jīng)濟高效地按時完成產(chǎn)品開發(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GPIO引腳即可提供準確的溫度結(jié)果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉(zhuǎn)換器用于各種檢測應用。
動機
某些傳感器測量值（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)的設計考慮。大多數(shù)ADC要求快速準確的時鐘生成和時序、穩(wěn)定的基準電壓、具有非常低輸出阻抗的基準緩沖器以及模擬前端電路，以便對傳感器輸出進行適當?shù)男盘栒{(diào)理，然后才能對其進行數(shù)字量化并通過系統(tǒng)進行監(jiān)控。在進行環(huán)境溫度檢測時，分立式應用可能會在惠斯通電橋中使用一個熱敏電阻，然后由儀表放大器獲得其輸出，再饋入ADC。這種設計屬于過度設計，需要超出應用所需的更多空間、功率和計算周期，而應用本身可能僅需要每15秒進行一次測量。
LTC6990
- 固定頻率或電壓控制型操作?
- 固定：單個電阻器負責設置頻率 (最大誤差 < 1.5%)?
- VCO：兩個電阻器負責設定 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 啟動時間
- VCO 帶寬 > 300kHz (在 1MHz)
- CMOS 邏輯輸出可供應 / 吸收 20mA
- 50% 占空比方波輸出
- 輸出使能 (當停用時可以選擇低或高阻抗狀態(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
能否設計一種替代性測量解決方案，既能減少與ADC信號鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復雜性，還能測量模擬電壓？該解決方案就是采用一個電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（例如 LTC6990, 將其配置為電壓控制振蕩器(VCO)模式，這樣就可以用來測量模擬電壓，而無需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，從而生成一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的信號鏈。
圖1. 簡單的溫度-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)代電子設備都需要板載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號或數(shù)字信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(guān)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于連接的通用解決方案，其精度可以根據(jù)溫度測量系統(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)，同時還必須向AD8494的REF引腳施加一個失調(diào)電壓，從而使輸出電壓偏置高于地電壓，即使環(huán)境溫度為負時也是如此。
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來替換公式2中的 VCTRL?設定 RSET?= R-VCO?則得到以下結(jié)果：
這樣就可以解出?Tambient?消掉電壓單位，于是得到公式5：
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GPIO引腳進行傳感器測量。如果使用圖3所示的同步計數(shù)器電路，那么在其CLK_IN輸入端將始終會觀察到時鐘的上升沿。如果將LTC6990的 FOUT?用作輸入時鐘，則每次檢測到 FOUT?的上升沿時，計數(shù)器都會遞增，從而創(chuàng)建了一個周期計數(shù)器。如果每次測量之間的時間間隔保持恒定，則可以計數(shù)給定時間間隔內(nèi)的周期數(shù)，并可通過浮點運算或查找表計算出頻率。將采集時間 TAcquisition?n除以計數(shù)所得的周期數(shù)，可以得出 FOUT的周期。對該關(guān)系式取倒數(shù)則得到公式6。
圖2. 一個以LTC6990輸出作為其時鐘輸入的4位同步計數(shù)器。
Verilog代碼示例顯示了一個通過使用FPGA上的單個GPIO輸入來計數(shù)周期數(shù)的函數(shù)。采集周期越長，測量結(jié)果就越精確。在下述代碼示例中，使用了一個16位計數(shù)器來提高分辨率。同時還假定在架構(gòu)的更高層級執(zhí)行采集時間測量控制邏輯。
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量溫度的低成本方法。如果溫度超過–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熱電偶。下圖總結(jié)列出了測量系統(tǒng)的誤差。它說明了環(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法提供非常好的溫度分辨率結(jié)果，但對于可接受大約±2°C誤差的應用，它提供了一個經(jīng)濟簡單的溫度測量接口。此外，采用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念也可用于測量其他類型的傳感器輸出，且無需使用ADC。
圖5. 溫度誤差。踏上新征程，ADI與同濟大學DIAN Racer同行！
下載文檔
