一種新型數(shù)字溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘　要：提出一種內(nèi)嵌時(shí)鐘功能的溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案。測(cè)溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的變化,實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,然后利用數(shù)字信號(hào)處理方法計(jì)算得出溫度值,實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。 
　　關(guān)鍵詞：溫度傳感器 振蕩器 FPGA 

　　用傳統(tǒng)的水銀或酒精溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度,不僅測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、讀數(shù)不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們?cè)跀?shù)字化時(shí)代的要求。本文提出了一種新型的數(shù)字式溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案,該方案集成了溫度測(cè)量電路和實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路。 
　　溫度測(cè)量電路的測(cè)溫范圍在-20℃～50℃之間,分辨率為1℃,測(cè)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(xiàn)電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在ROM中的參數(shù)值進(jìn)行比較映射得到待測(cè)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(hào),用戶(hù)可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)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(xiàn),電路設(shè)計(jì)靈活,便于修改。 
1 測(cè)溫原理 
　　溫度監(jiān)測(cè)主要是利用溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻,即具有負(fù)溫度系數(shù)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(dá)式為: 
　　 
　　式中,A、B是由半導(dǎo)體材料和加工工藝所決定的兩個(gè)常數(shù),B值為熱敏指數(shù)。設(shè)計(jì)中選用的是R25℃為100kΩ的MF58高精度測(cè)溫?zé)崦綦娮?熱敏指數(shù)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(wěn)定和電源電壓穩(wěn)定的特性,是一種低功率器件,外圍僅需一個(gè)元件,即設(shè)置電阻和旁路電容。LTC1799標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置電阻,用來(lái)控制輸出頻率,本設(shè)計(jì)中用熱敏電阻替代設(shè)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(shè)計(jì)中將該引腳接地,即輸出分頻系數(shù)為1。第5引腳為輸出引腳,輸出頻率與設(shè)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(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。 
　　由(1)、(2)式可知電路設(shè)計(jì)中存在兩種非線性關(guān)系:一是熱敏電阻的阻值和溫度之間的非線性關(guān)系,二是阻值頻率轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性。對(duì)非線性問(wèn)題,可以用數(shù)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(shè)計(jì)中采用了另外一種方法進(jìn)行處理,即利用ROM預(yù)先存儲(chǔ)頻率—溫度的數(shù)據(jù),通過(guò)查表法進(jìn)行溫度映射。這樣既避免了非線性問(wèn)題的影響又節(jié)省了硬件資源。 

圖1 LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路

2 硬件電路設(shè)計(jì) 
　　從功能上劃分,硬件電路分為溫度測(cè)量電路和實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路兩大部分。 
2.1 溫度測(cè)量電路 
2.1.1頻率測(cè)量電路 
　　頻率測(cè)量電路主要是采用頻率計(jì)數(shù)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(zhǔn)信號(hào)count_en和計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)count_clr,在采樣基準(zhǔn)信號(hào)正半周計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能,計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始對(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量時(shí)間恰為T(mén),并在采樣基準(zhǔn)信號(hào)的下降沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存。若在時(shí)間T內(nèi)計(jì)數(shù)器測(cè)得信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測(cè)信號(hào)的頻率為:FX=N/T。 
　　計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)用于每一次測(cè)量開(kāi)始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位,以清除上次測(cè)量的結(jié)果。各信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。 

圖2 采樣控制信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系

　　另外,由于測(cè)量過(guò)程中被測(cè)頻率信號(hào)與采樣控制信號(hào)之間沒(méi)有同步鎖定關(guān)系,在計(jì)數(shù)的末尾將產(chǎn)生