一種新型數字溫度測量電路的設計及實(shí)現

摘　要：提出一種內嵌時(shí)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(guò)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(shí)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(shí)現溫度的測量。 
　　關(guān)鍵詞：溫度傳感器 振蕩器 FPGA 

　　用傳統的水銀或酒精溫度計來(lái)測量溫度,不僅測量時(shí)間長(cháng)、讀數不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們在數字化時(shí)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(shí)時(shí)日歷時(shí)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(shí)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(lái)實(shí)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(jìn)行比較映射得到待測溫度值。實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路能顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒七種時(shí)鐘信號,用戶(hù)可以對時(shí)間進(jìn)行設定或修改。整個(gè)電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進(jìn)行了硬件仿真實(shí)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(lái)實(shí)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(guān)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(gè)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(chǎn)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(gè)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(lái)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(gè)三態(tài)分頻引腳,決定主控時(shí)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(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(guò)LTC1799建立溫度和頻率之間的關(guān)系,以實(shí)現對溫度的測量。 
　　由(1)、(2)式可知電路設計中存在兩種非線(xiàn)性關(guān)系:一是熱敏電阻的阻值和溫度之間的非線(xiàn)性關(guān)系,二是阻值頻率轉換時(shí)的非線(xiàn)性。對非線(xiàn)性問(wèn)題,可以用數學(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。因此設計中采用了另外一種方法進(jìn)行處理,即利用ROM預先存儲頻率—溫度的數據,通過(guò)查表法進(jìn)行溫度映射。這樣既避免了非線(xiàn)性問(wèn)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(shí)時(shí)日歷時(shí)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(guò)門(mén)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(kāi)始對輸入信號的頻率進(jìn)行測量,測量時(shí)間恰為T(mén),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(shí)間T內計數器測得信號脈沖個(gè)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(kāi)始時(shí)對計數模塊進(jìn)行復位,以清除上次測量的結果。各信號之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。 

圖2 采樣控制信號之間的時(shí)序關(guān)系

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