一种新型数字温度测量电路的设计及实现

——

作者：时间：2006-06-13来源：电子技术应用收藏

摘　要：提出一种内嵌时钟功能的温度测量电路的设计方案。测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化,通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化,实现模拟信号到数字信号的转换,然后利用数字信号处理方法计算得出温度值,实现温度的测量。
　　关键词：温度传感器振荡器 FPGA

　　用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们在数字化时代的要求。本文提出了一种新型的数字式温度测量电路的设计方案,该方案集成了温度测量电路和实时日历时钟电路。
　　温度测量电路的测温范围在-20℃～50℃之间,分辨率为1℃,测温时间小于1秒。电路中采用凌特公司的电阻可编程振荡器LT1799来实现电阻值到频率的转换,然后根据预先存储在ROM中的参数值进行比较映射得到待测温度值。实时日历时钟电路能显示年、月、日、星期、时、分、秒七种时钟信号,用户可以对时间进行设定或修改。整个电路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA进行了硬件仿真实现,电路设计灵活,便于修改。
1 测温原理
　　温度监测主要是利用温度传感器来实现。本设计的温度传感器采用的是NTC热敏电阻,即具有负温度系数的热敏电阻,其电阻值(RT)随温度(T)的升高而迅速减小。阻值温度关系表达式为:
　　
　　式中,A、B是由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数,B值为热敏指数。设计中选用的是R25℃为100kΩ的MF58高精度测温热敏电阻,热敏指数为3 650K。
　　LTC1799是一种电阻可编程振荡器[1],可以产生占空比为50%的方波,并具有温度稳定和电源电压稳定的特性,是一种低功率器件,外围仅需一个元件,即设置电阻和旁路电容。LTC1799标准电路如图1所示,图中0.1μF的电容接在电源引脚与地之间,可以将电源噪声降至最低。第1、3引脚之间连接设置电阻,用来控制输出频率,本设计中用热敏电阻替代设置电阻。第4引脚是一个三态分频引脚,决定主控时钟在输出前是被1、10或100分频,设计中将该引脚接地,即输出分频系数为1。第5引脚为输出引脚,输出频率与设置电阻之间的关系为:
　　
　　由于热敏电阻的阻值随温度的变化而改变,这样便可以通过LTC1799建立温度和频率之间的关系,以实现对温度的测量。
　　由(1)、(2)式可知电路设计中存在两种非线性关系:一是热敏电阻的阻值和温度之间的非线性关系,二是阻值频率转换时的非线性。对非线性问题,可以用数学方法进行处理,但算法比较繁琐,而且要占用大量的硬件资源。因此设计中采用了另外一种方法进行处理,即利用ROM预先存储频率—温度的数据,通过查表法进行温度映射。这样既避免了非线性问题的影响又节省了硬件资源。

图1 LTC1799标准电路

2 硬件电路设计
　　从功能上划分,硬件电路分为温度测量电路和实时日历时钟电路两大部分。
2.1 温度测量电路
2.1.1频率测量电路
　　频率测量电路主要是采用频率计数的方法,外部晶体振荡器分频后通过门控电路得到周期为2T的采样基准信号count_en和计数复位信号count_clr,在采样基准信号正半周计数器计数使能,计数模块开始对输入信号的频率进行测量,测量时间恰为T,并在采样基准信号的下降沿将采样的数据结果锁存。若在时间T内计数器测得信号脉冲个数为N,则被测信号的频率为:FX=N/T。
　　计数复位信号用于每一次测量开始时对计数模块进行复位,以清除上次测量的结果。各信号之间的时序关系如图2所示。