一種新型數字溫度測量電路的設計及實現

摘　要：提出一種內嵌時鐘功能的溫度測量電路的設計方案。測溫電路利用溫度傳感器監測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉換為頻率信號的變化,實現模擬信號到數字信號的轉換,然后利用數字信號處理方法計算得出溫度值,實現溫度的測量。
 
關鍵詞：溫度傳感器 振蕩器 FPGA

用傳統的水銀或酒精溫度計來測量溫度,不僅測量時間長、讀數不方便、而且功能單一,已經不能滿足人們在數字化時代的要求。本文提出了一種新型的數字式溫度測量電路的設計方案,該方案集成了溫度測量電路和實時日歷時鐘電路。
 
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來實現電阻值到頻率的轉換,然后根據預先存儲在ROM中的參數值進行比較映射得到待測溫度值。實時日歷時鐘電路能顯示年、月、日、星期、時、分、秒七種時鐘信號,用戶可以對時間進行設定或修改。整個電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進行了硬件仿真實現,電路設計靈活,便于修改。

1 測溫原理

溫度監測主要是利用溫度傳感器來實現。本設計的溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻,即具有負溫度系數的熱敏電阻,其電阻值(RT)隨溫度(T)的升高而迅速減小。阻值溫度關系表達式為:
　　
式中,A、B是由半導體材料和加工工藝所決定的兩個常數,B值為熱敏指數。設計中選用的是R25℃為100kΩ的MF58高精度測溫熱敏電阻,熱敏指數為3 650K。
 
LTC1799是一種電阻可編程振蕩器[1],可以產生占空比為50%的方波,并具有溫度穩定和電源電壓穩定的特性,是一種低功率器件,外圍僅需一個元件,即設置電阻和旁路電容。LTC1799標準電路如圖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引腳之間連接設置電阻,用來控制輸出頻率,本設計中用熱敏電阻替代設置電阻。第4引腳是一個三態分頻引腳,決定主控時鐘在輸出前是被1、10或100分頻,設計中將該引腳接地,即輸出分頻系數為1。第5引腳為輸出引腳,輸出頻率與設置電阻之間的關系為:
　　
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系,以實現對溫度的測量。

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

圖1 LTC1799標準電路

2 硬件電路設計

從功能上劃分,硬件電路分為溫度測量電路和實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數的方法,外部晶體振蕩器分頻后通過門控電路得到周期為2T的采樣基準信號count_en和計數復位信號count_clr,在采樣基準信號正半周計數器計數使能,計數模塊開始對輸入信號的頻率進行測量,測量時間恰為T,并在采樣基準信號的下降沿將采樣的數據結果鎖存。若在時間T內計數器測得信號脈沖個數為N,則被測信號的頻率為:FX=N/T。

計數復位信號用于每一次測量開始時對計數模塊進行復位,以清除上次測量的結果。各信號之間的時序關系如圖2所示。

圖2 采樣控制信號之間的時序關系

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系,在計數的末尾將產生