能否设计一种替代性测量解决方案,既能减少与ADC信号链相关的元件数量和复杂性,还能测量模拟电压?该解决方案就是采用一个电压-频率转换器(例如 LTC6990, 将其配置为电压控制振荡器(VCO)模式,这样就可以用来测量模拟电压,而无需ADC。在本示例中,将精密热电偶放大器 AD8494配置为环境温度传感器,其输出电压用作LTC6990的输入,从而生成一个温度-频率转换器的信号链。
图1. 简单的温度-频率转换器。
AD8494是一款热电偶精密放大器,但它也可以通过将其输入短路接地用作环境温度传感器。输出则定义为:
在使用单极性电源的电路中, –VS=地电压(0 V),同时还必须向AD8494的REF引脚施加一个失调电压,从而使输出电压偏置高于地电压,即使环境温度为负时也是如此。
温度传感器的输出电压 VOUT定义为:
在VCO模式下,LTC6990的频率输出定义为:
由于AD8494的输出电压是LTC6990的 VCTRL 因此可以用公式1来替换公式2中的 VCTRL 设定 RSET = RVCO 则得到以下结果:
这样就可以解出 Tambient 消掉电压单位,于是得到公式5:
得到频率输出了,有什么用处呢?
频率输出的美妙之处在于可以使用单个GPIO引脚进行传感器测量。如果使用图3所示的同步计数器电路,那么在其CLK_IN输入端将始终会观察到时钟的上升沿。如果将LTC6990的 FOUT 用作输入时钟,则每次检测到 FOUT 的上升沿时,计数器都会递增,从而创建了一个周期计数器。如果每次测量之间的时间间隔保持恒定,则可以计数给定时间间隔内的周期数,并可通过浮点运算或查找表计算出频率。将采集时间 TAcquisition n除以计数所得的周期数,可以得出 FOUT的周期。对该关系式取倒数则得到公式6。
图2. 一个以LTC6990输出作为其时钟输入的4位同步计数器。
Verilog代码示例显示了一个通过使用FPGA上的单个GPIO输入来计数周期数的函数。采集周期越长,测量结果就越。在下述代码示例中,使用了一个16位计数器来提高分辨率。同时还假定在架构的更高层级执行采集时间测量控制逻辑。
图3. Verilog代码示例。
图4. 温度-频率转换器传递函数。
在本应用中,我们讨论了一种新型的温度-频率转换器。它提供了一种测量温度的低成本方法。如果温度超过–40°C至+125°C的工业温度范围,则可在传感器的输入端安装一个热电偶。下图总结列出了测量系统的误差。它说明了环境温度与输出频率以及系统精度之间的线性关系。尽管此解决方案可能无法提供非常好的温度分辨率结果,但对于可接受大约±2°C误差的应用,它提供了一个经济简单的温度测量接口。此外,采用电压-频率转换器的概念也可用于测量其他类型的传感器输出,且无需使用ADC。
图5. 温度误差。
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