內置電阻-頻率轉換器的MCU應用

在自動化世界里,除了人機接口及產品基本功能為主要設計要素外, 還有一個常被多數人遺忘的幕后英雄:傳感器(sensors)。舉凡在自動化設備,測量儀器,汽車與家用電器等等,無處不在的傳感器,成就了便利及豐富人類生活的夢想。本文除了介紹基本傳感器型式以外,還介紹如何由傳感器的物理量變化,轉變為電子及數字資料,因為沒有傳感器便沒有測量,而沒有測量則沒有自動化產品,故傳感電路之好壞決定了自動化系統性能。

在此介紹一種將電阻及電容轉為頻率信號(resistance/capacitance to frequency conversion),以方便MCU計數,直接測量,此方法簡單易行,外部組件少,成本低廉而且適合量產。

盛群(Holtek)半導體公司所推出HT47系列,即是內建R to F轉換器(resistance/capacitance to frequency converter)的MCU,產品主要應用于消費類家電產品如溫濕度計,體溫計,壓力計，電子體重計,遙控器等,亦有提供OTP版本(HT47R20),詳細資料可參考http://www.holtek.com.tw。

HT47系列功能包括:

堆棧緩存器(Stack Register)；

計時計數器(Timer/Event Counter)；

看門狗定時器(Watchdog Timer)；

外部中斷(External Interrupt)；

振蕩器(Oscillator)；

省電模式(Power Down Operation-HALT)；

重置(Reset)。

為了進行R to F轉換, 在HT47C20/HT47C20L/HT47R20中有一緩存器(ADCR)用來控制R to F轉換器之功能,使用者可經由設定ADCR緩存器, 控制計時計數器用途, 中斷來源及R to F振蕩器之各種振蕩模式, 以達到R to F測量之目的。

在HT47系列中比較特殊的地方就是A/D converter共有2組電阻(電容)對頻率轉換器,亦即特殊之RC振蕩器。主要測量原理為將受測電阻RT與一個參考電阻RS分別再與參考電容CS組成RC振蕩器,因RT-CS振蕩與RS-CS振蕩共享CS電容,故CS之誤差可消除, 而RS因為是參考電阻故必需使用精密電阻。至于如何將熱敏電阻換算推導其A/D轉換器數值,先令RT:傳感器電阻,RS:精密電阻(參考電阻),KT:RT-CS振蕩計數值,KS:RS-CS振蕩計數值,設RS/KT=2n, 所以KT= RS/2n(Timer B初始值可由RS及2n算出),

==> RT×KT = RS×KS ==> RT = RS×KS/KT = KS×(RS/KT) = KS×2n,

同樣,若為受測電容,則將受測電容CT與一個參考電容CS分別再與參考電阻RS組成RC振蕩器,因CT-RS振蕩與CS-RS振蕩共享RS電阻,故RS之誤差可消除,而CS因為是參考電容故必需使用精密電容,設CS/KT=2n, 所以KT=CS/2n(Timer B初始值可由CS及2n算出), 關系式如下:

==>CT×KT=CS×KS ==> CT=CS×KS/KT=KS×(CS/KT)= KS×2n,

RT或CT值的測量可由Timer B測量值(KS)向左移n位(二進制單位), 由傳感器轉換表建一表格即可直 接轉為物理量,因Timer A及Timer B為16bit 計數器, 故最大值 FFFFH = 65535, 使用者必需仔細設計以免計數值發生溢出, 舉例如下,

例如一傳感器(負溫度系數)在 -50℃～150℃，其阻值為8.2MΩ～1.2KΩ,當其為最高溫時,電阻最小,故其在固定T時間內,計數值最大,反之當其為最低溫時,電阻最大,故其在固定T時間內,計數值最小,為維持測量精度及縮短測量時間,故在傳感器電阻值范圍內，必需分為幾段,以不同之n計算出KT值來進行測量,以達到最高分辨率及最適當之測量時間。

故測量高溫時(RT值較小, 頻率較快),n值須取小(KT值取大)， 以求最高精率,測量低溫時(RT值較大,頻率較慢),n值須取大(KT值取小),以盡量縮短測量時間。除此之外,整體測量的耗電量亦必需考慮。

因電子測量電路之不理想, 導致在理論值與實際值有所差異，雖然HT47系列已經針對誤差及多組RC振蕩器間之互相干擾情形進行排除，但主要由電路負載效應及組件飽和所造成的不理想仍不可避免,但是此一不理想性所產生之影響,是一個幾乎固定不會漂移之誤差量,故可用查表補償方式予以修正,修正方式如下:

RT×KT = RS×KS, T1 =KT×RT×CS,T2= KS×RS×CS,

取T1=T2 ==> KT×RT×CS = KS×RS×CS ==> KT×RT = KS×RS (ideal case)

修正 ==> set (RT'×KT)/(RS×KS) = KR

==> RT' = KR×KS×RS/KT = KR×RT, RT = KS ×RS/KT = KS×2n

==> 將最后求出之已校正之RT', 與sensor生產廠商所提供之阻值表對應, 以求出相對之物理量值(例: 溫度), 故在建KT Table時, 不同RT值必須帶入不同KR值, 以便獲得準確之測量數值。

HT47C20/HT47C20L除了能適用于大范圍之傳感器外,還可同時用以測量三個傳感器,而不會產生互相干擾導致測量不準確, 在省電方面亦為其重要特性之一, 其中HT47C20L更是適合單顆1.5V電池或太陽能電池之應用, 另外,以MCU為基礎之設計,更能根據使用者需求自行設計,而OTP,使得設計更加簡便,風險更低。■