Q:如果係統中的FPGA/微處理器上隻剩下一個GPIO
，該如何進行模擬測量？

 

A:可以使用電壓-頻率轉換器代替模數轉換器。

 

在關注機器健康和其他物聯網(IoT)解決方案的現代應用中，隨著檢測功能的日趨普及
，對更簡單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加，而應用空間（以及由此導致的I/O引腳數量）卻受到限製。在理想情況下，所有應用都需要一個ASIC來提供小巧的集成式解決方案。

 

但是
，ASIC的開發既耗時又昂貴，並且不具備滿足其他用途的靈活性。因此，越來越多的應用都在使用微處理器或尺寸小巧的FPGA，以便能夠經濟高效地按時完成產品開發。在本文中
，我們將探討一種溫度-頻率轉換器
，它隻需要使用一個GPIO引腳即可提供準確的溫度結果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉換器用於各種檢測應用。

 

動機

 

某些傳感器測量值（例如溫度、濕度和氣壓）本質上是直流電
，而且其變化速率並未快到（它們也不需要足夠精確的分辨率）足以保證ADC的需求以及與之相關的設計考慮。大多數ADC要求快速準確的時鍾生成和時序、穩定的基準電壓、juyoufeichangdishuchuzukangdejizhunhuanchongqiyijimoniqianduandianlu
，yibianduichuanganqishuchujinxingshidangdexinhaotiaoli，ranhoucainengduiqijinxingshuzilianghuabingtongguoxitongjinxingjiankong。zaijinxinghuanjingwendujianceshi，fenlishiyingyongkenenghuizaihuisitongdianqiaozhongshiyongyigeremindianzu，ranhouyouyibiaofangdaqihuodeqishuchu，zaikuiruADC。這種設計屬於過度設計，需要超出應用所需的更多空間
、功率和計算周期
，而應用本身可能僅需要每15秒進行一次測量。

 

 

LTC6990

 

● 固定頻率或電壓控製型操作 

  - 固定：單個電阻器負責設置頻率 (最大誤差 < 1.5%) 

  - VCO：兩個電阻器負責設定 VCO 中心頻率和調諧範圍

● 頻率範圍：488Hz 至 2MHz

● 2.25V 至 5.5V 單電源操作

● 72μA 電源電流 (在 100kHz)

● 500μs 啟動時間

● VCO 帶寬 > 300kHz (在 1MHz)

● CMOS 邏輯輸出可供應 / 吸收 20mA

● 50% 占空比方波輸出

● 輸出使能 (當停用時可以選擇低或高阻抗狀態)

  -55ºC 至 125ºC 工作溫度範圍

● 采用扁平 (高度僅 1mm) SOT-23 (ThinSOTTM) 封裝和 2mm x 3mm DFN 封裝

 

能否設計一種替代性測量解決方案，既能減少與ADC信號鏈相關的元件數量和複雜性，還能測量模擬電壓
？該解決方案就是采用一個電壓-頻率轉換器（例如 LTC6990, 將其配置為電壓控製振蕩器(VCO)模式
，這樣就可以用來測量模擬電壓，而無需ADC。在本示例中
，將精密熱電偶放大器 AD8494配置為環境溫度傳感器，其輸出電壓用作LTC6990的輸入，從而生成一個溫度-頻率轉換器的信號鏈。

 

圖1. 簡單的溫度-頻率轉換器。

 

如何將溫度輸入轉換為頻率輸出？

 

如ru今jin
，許xu多duo現xian代dai電dian子zi設she備bei都dou需xu要yao板ban載zai溫wen度du監jian控kong係xi統tong。將jiang模mo擬ni信xin號hao轉zhuan換huan為wei脈mai寬kuan調tiao製zhi信xin號hao或huo數shu字zi信xin號hao的de方fang法fa已yi有you大da量liang的de文wen獻xian記ji載zai。但dan是shi，如ru果guo測ce量liang解jie決jue方fang案an需xu要yao一yi個geADC，則存在一些與成本、精jing度du和he速su率lv相xiang關guan的de不bu利li因yin素su。通tong常chang
，測ce量liang越yue精jing確que
，解jie決jue方fang案an就jiu越yue昂ang貴gui。該gai電dian路lu提ti供gong了le一yi種zhong低di成cheng本ben且qie易yi於yu連lian接jie的de通tong用yong解jie決jue方fang案an
，其qi精jing度du可ke以yi根gen據ju溫wen度du測ce量liang係xi統tong的de需xu求qiu而er改gai變bian。

 

AD8494是一款熱電偶精密放大器
，但它也可以通過將其輸入短路接地用作環境溫度傳感器。輸出則定義為：

 

 

在使用單極性電源的電路中
， –VS=地電壓(0 V)，同時還必須向AD8494的REF引腳施加一個失調電壓，從而使輸出電壓偏置高於地電壓
，即使環境溫度為負時也是如此。

 

溫度傳感器的輸出電壓 VOUT定義為：

 

 

在VCO模式下，LTC6990的頻率輸出定義為：

 

 

由於AD8494的輸出電壓是LTC6990的 VCTRL 因此可以用公式1來替換公式2中的 VCTRL 設定 RSET = R­VCO 則得到以下結果：

 

 

這樣就可以解出 Tambient 消掉電壓單位，於是得到公式5：

 

 

得到頻率輸出了
，有什麼用處呢
？

 

頻率輸出的美妙之處在於可以使用單個GPIO引腳進行傳感器測量。如果使用圖3所示的同步計數器電路，那麼在其CLK_IN輸入端將始終會觀察到時鍾的上升沿。如果將LTC6990的 FOUT 用作輸入時鍾，則每次檢測到 FOUT 的de上shang升sheng沿yan時shi，計ji數shu器qi都dou會hui遞di增zeng

，從cong而er創chuang建jian了le一yi個ge周zhou期qi計ji數shu器qi。如ru果guo每mei次ci測ce量liang之zhi間jian的de時shi間jian間jian隔ge保bao持chi恒heng定ding
，則ze可ke以yi計ji數shu給gei定ding時shi間jian間jian隔ge內nei的de周zhou期qi數shu，並bing可ke通tong過guo浮fu點dian運yun算suan或huo查zha找zhao表biao計ji算suan出chu頻pin率lv。將jiang采cai集ji時shi間jian TAcquisition n除以計數所得的周期數，可以得出 FOUT的周期。對該關係式取倒數則得到公式6。

 

圖2. 一個以LTC6990輸出作為其時鍾輸入的4位同步計數器。

 

 

Verilog代碼示例顯示了一個通過使用FPGA上的單個GPIO輸入來計數周期數的函數。采集周期越長，測量結果就越精確。在下述代碼示例中，使用了一個16位計數器來提高分辨率。同時還假定在架構的更高層級執行采集時間測量控製邏輯。

 

圖3. Verilog代碼示例。

 

圖4. 溫度-頻率轉換器傳遞函數。

 

結論

 

在本應用中
，我們討論了一種新型的溫度-頻率轉換器。它提供了一種精確測量溫度的低成本方法。如果溫度超過–40°C至+125°C的(de)工(gong)業(ye)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)
，則(ze)可(ke)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)安(an)裝(zhuang)一(yi)個(ge)熱(re)電(dian)偶(ou)。下(xia)圖(tu)總(zong)結(jie)列(lie)出(chu)了(le)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)誤(wu)差(cha)。它(ta)說(shuo)明(ming)了(le)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)與(yu)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)精(jing)度(du)之(zhi)間(jian)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)。盡(jin)管(guan)此(ci)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)好(hao)的(de)溫(wen)度(du)分(fen)辨(bian)率(lv)結(jie)果(guo)
，但(dan)對(dui)於(yu)可(ke)接(jie)受(shou)大(da)約(yue)±2°C誤差的應用
，它提供了一個經濟簡單的溫度測量接口。此外
，采用電壓-頻率轉換器的概念也可用於測量其他類型的傳感器輸出，且無需使用ADC。

 

圖5. 溫度誤差。

 

 

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