基于FPGA的数字温度测量电路的设计

　　本设计利用热敏电阻与LTC1799电阻可编程振荡器构成的温度传感器来产生反应温度变化的频率信号,无需进行A/D转换,将产生的频率信号直接经过高速FPGA芯片电路处理得出相应的温度值,提高了测温速度,减小了电路规模,测量精度主要依赖于热敏电阻的精度。

　　1　测温原理

　　1.1　LTC1799工作原理

　　LTC1799是一种精密的低功率电阻可编程振荡器,兼具精度高、体积小、功率低和频率范围宽的特点。其结构框图及外围连接关系如图1所示。芯片中SET引脚的电压由一个偏压和PMOS晶体管的门偏置电压来控制,由于(V⁺VSET) /IRES这一比值与RSET相等,所以该器件的频率完全取决于外围设置电阻RSET的值。此外在电源和地之间要接一个旁路电容以降低电源噪声。输出频率与RSET之间的关系表达式为:

　　式中N是由第四个引脚即三态分频引脚决定,可以取1、10和100。输出频率fosc可在1kHz~30MHz的范围内灵活变化。由上式可知当N值一定,输出频率仅与RSET的阻值有关且成反比。由于LTC1799采用专用反馈环路来对RSET和输出频率之间的关系进行线性化处理,因此,其频率准确度很高。另外与其他分离的RC振荡器不同的是,它无需校正即可输出确定的频率。

　　1.2　温度传感器原理

　　LTC1799的应用广泛,可以通过对其外部设置电阻进行不同的电路设置产生多种的应用电路,如定时器、压控振荡器、湿度传感器等。本设计是将LTC1799的设置电阻RSET用MF58高精度NTC热敏电阻进行替代构成了温度传感器。

　　由于可编程振荡器相对固定,热敏电阻的选取变成了影响传感器的测量精度和功耗的关键部分。对于相同的频率范围,且分频系数为1时,选用阻值较高温度范围较宽的热敏电阻,可以产生更准确的输出频率当然器件的功耗也更低。热敏电阻的阻温关系表达式如式(2),当振荡器的分频系数为1时输出频率与热敏电阻阻值的关系为式(3)。

　　由式(2)、(3)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。对于非线性问题,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。因此设计中采用了一种新的方法进行处理,即调用FPGA内嵌的ROM模块预先存储频率-温度的数据,通过查表法进行温度映射。这样既避免了上述非线性问题的影响又节省了硬件资源。

　　2　FPGA电路设计

　　对于温度传感器产生的频率信号的处理,是基于Altera公司的EP1K100QC器件,利用QuartusⅡ设计平台,采用Verilog设计语言来设计的,主要包括频率计数和温度映射两部分。