隨著在專注于機器健康和其他物聯網 （IoT） 解決方案的現代應用中，對傳感功能的需求變得越來越普遍，對具有更少 I/O 和更小設備占用空間的更簡單接口的需求也在增加。連接到單個微處理器或FPGA的設備密度正在持續增加。這是在應用空間內發生的，因此，I/O引腳的數量可能會受到限制。在理想情況下，所有應用都將有一個ASIC，提供小型集成解決方案。然而，ASIC開發既耗時又昂貴，并且無法靈活地重新用于其他用途。因此，越來越多的應用使用微處理器或小尺寸FPGA來及時、經濟高效地完成產品開發。在本文中，我們將探討一種溫度頻率轉換器，該轉換器可以在僅使用單個GPIO引腳的情況下提供準確的溫度結果。它還將演示如何使用電壓-頻率轉換器適應各種傳感應用。

動機

一些傳感器測量值（如溫度、濕度和氣壓）本質上是直流的，并且變化速度不夠快。它們也不需要足夠精確的分辨率來保證ADC以及隨之而來的設計考慮因素。大多數ADC需要快速、精確的時鐘生成和定時、穩定的基準電壓源、具有極低輸出阻抗的基準電壓緩沖器以及模擬前端電路，以便在對傳感器輸出進行數字量化并供系統監控之前對其進行適當信號調理。在檢測環境溫度的情況下，分立式應用可能會在惠斯通電橋中使用熱敏電阻，然后由儀表放大器獲得其輸出，然后饋入ADC。這種設計過度設計，需要更多的空間、功耗和計算周期，適用于可能只需要每 15 秒進行一次測量的應用。

可以使用哪種替代測量解決方案來減少與ADC信號鏈相關的元件數量和復雜性，同時仍測量模擬電壓？解決方案是配置在壓控振蕩器 （VCO） 模式下的電壓-頻率轉換器（例如LTC6990）可用于測量模擬電壓，而無需 ADC。在本例中，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，從而形成溫度-頻率轉換器信號鏈。

（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

如今，許多現代電子設備都需要車載溫度監控系統。將模擬信號轉換為脈寬調制信號或數字信號的方法已有據可查。但是，如果測量解決方案需要ADC，則存在與成本、精度和速度相關的缺點。通常，測量越準確，解決方案就越昂貴。該電路提供了一種低成本、多功能且易于接口的解決方案，其精度可根據溫度測量系統的需求而變化。

AD8494是一款精密熱電偶放大器，但也可通過將其輸入短路至地來用作環境溫度傳感器。然后將輸出定義為：

好的，我有一個頻率輸出。這有什么用？

頻率輸出的優點在于，您可以使用單個GPIO引腳來獲得傳感器測量值。如果使用圖3中的同步計數器電路，則時鐘的上升沿將始終在其CLK_IN輸入端觀察到。如果將 LTC6990 的 FOUT 用作輸入時鐘，則每次檢測到 FOUT 上的上升沿時，計數器都會遞增，從而形成一個周期計數器。如果每次測量之間的時間間隔是恒定的，則可以計算給定時間間隔內的周期數，并且可以通過使用浮點數學或查找表來確定頻率。通過將采集時間除以計數的周期數，我們得到 FOUT 的周期。取此關系的反比得到等式6。

示例 Verilog 代碼顯示了一個函數，該函數可用于通過在 FPGA 上使用單個 GPIO 輸入來計算周期數。采集周期越長，測量就越準確。對于以下代碼，使用 16 位計數器來提供其他分辨率。這還假設控制測量采集時間的邏輯在架構中的更高級別執行。

（圖3.示例驗證代碼。

（圖4.溫度-頻率轉換器的傳遞函數。

結論

在本應用中，討論了一種新型的溫度頻率轉換器。它提供了一種準確、低成本的溫度測量方法。如果溫度超過–40°C至+125°C的工業范圍，則可以在傳感器的輸入端安裝熱電偶。作為結論，下圖顯示了測量系統的誤差。它展示了環境溫度與輸出頻率之間的線性關系以及系統的精度。雖然該解決方案可能無法提供非常精細的溫度分辨率結果，但對于可以接受大約±2°C誤差的應用，這為測量溫度提供了一個廉價而簡單的接口。此外，使用電壓-頻率轉換器的概念可以調整為測量其他類型的傳感器輸出，而無需ADC。

（圖5.溫度誤差。

審核編輯：郭婷