CN105814418A - 具有集成数字温度滤波器的数字温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种集成温度传感器装置，所述集成温度传感器装置具有：温度传感器，其经配置以提供对应于周围温度的模拟信号；模/数转换器，其接收所述模拟信号；及可编程数字滤波器，其耦合到所述模/数转换器。

Description

具有集成数字温度滤波器的数字温度传感器

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2013年12月27日申请的第61/921,167号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案宛如在本文中充分陈述般以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及数字温度传感器装置，特定来说，涉及具有集成数字温度滤波器的数字温度传感器。

背景技术

存在多种集成半导体温度传感器。此类传感器可用于具有小数目的引脚的外壳中且可提供模拟或数字接口。模拟温度传感器通常输出与所测量的温度成比例的电压，而数字温度传感器提供数字接口，所述数字接口经设计以将温度值编码成数字值且(例如)使用串行接口将这些值提供到处理器。为保持引脚的数目较小，这些数字温度传感器常常使用单线接口。然而，其它装置可使用具有一根以上的线的接口。虽然此类数字温度传感器是方便的且可用于许多应用中，但某些应用可另外需要温度值的后处理。因此，存在对经改进数字温度传感器的需要。

发明内容

根据实施例，集成温度传感器装置可包括：温度传感器，其经配置以提供对应于周围温度的模拟信号；模/数转换器，其接收所述模拟信号；及可编程数字滤波器，其耦合到所述模/数转换器。

根据又一实施例，所述温度传感器可包括：传感器元件；及与所述传感器元件耦合的传感器调节电路。根据又一实施例，所述传感器元件可为半导体二极管。根据又一实施例，所述集成温度传感器装置可进一步包括：第一寄存器，其与所述模/数转换器耦合以用于存储所述模/数转换器的输出。根据又一实施例，所述集成温度传感器装置可进一步包括：第二寄存器，其与数字滤波器耦合以用于存储经滤波温度值。根据又一实施例，所述集成温度传感器装置可进一步包括：控制寄存器，其与所述数字滤波器耦合以用于存储所述可编程数字滤波器的滤波器系数。根据又一实施例，所述控制寄存器可经配置以停用所述数字滤波器。根据又一实施例，所述控制寄存器可被设置为0以停用所述数字滤波器。根据进一步实施例，所述控制寄存器可选择多个预定义滤波器系数中的一者。根据又一实施例，所述模/数转换器可为可操作以提供约每秒200次转换的高速模/数转换器。根据又一实施例，所述集成温度传感器装置可进一步包括：串行接口，其是从由以下各物组成的群组中选出：SPI、I²C，或单线串行接口。

根据另一实施例，一种用于操作集成温度传感器装置的方法包括以下步骤：由模/数转换器将由传感器元件提供的模拟值转换成数字温度值；将所述数字值存储于相关联温度寄存器中；将所述数字温度值馈送到数字滤波器；及将经滤波温度值存储于相关联经滤波温度寄存器中。

根据所述方法的又一实施例，所述传感器元件为半导体二极管。根据所述方法的又一实施例，所述方法可进一步包括将控制值存储于控制寄存器中，所述控制寄存器与数字滤波器耦合以用于选择滤波器系数。根据所述方法的又一实施例，所述控制寄存器经配置以在相关联控制值为0时停用所述数字滤波器。根据所述方法的又一实施例，将所述控制值存储于所述控制寄存器的多个位中。根据所述方法的又一实施例，所述控制寄存器选择多个预定义滤波器系数中的一者。根据所述方法的又一实施例，可由微处理器或微控制器经由所述集成温度传感器装置的串行接口读取所述温度寄存器及/或所述经滤波温度寄存器。根据所述方法的又一实施例，从由下列各物组成的群组中选择串行接口：SPI、I²C，或单线串行接口。根据所述方法的又一实施例，所述模/数转换器为可操作以提供约每秒200次转换的高速模/数转换器。

附图说明

图1展示根据各种实施例的框图；

图2展示描绘各种滤波器系数的传递函数的曲线图。

具体实施方式

根据各种实施例，数字温度传感器可包括数字滤波器特征，其使用户能够控制温度传感器灵敏度。根据各种实施例，可实施多种此类滤波器。最低滤波器设置使用户能够检测快速热瞬态，且最高滤波器设置减小传感器灵敏度，输出温度的逐渐改变。温度传感器可为可配置的，例如，包括可通过装置的串行接口配置的配置寄存器。

根据各种实施例，此低电力及数字温度传感器对于高分辨率温度数据可以比常规装置更快的速度输出温度数据，例如，以5毫秒间隔(通常)，或每秒200次的速度输出温度数据。此速率比常规温度传感器的速度快大约25倍。归因于此高速度转换速率，装置在温度转换模式中花费较少时间，这在其结合低电力或关闭模式使用时节省总体操作电力。然而，归因于快速温度转换，可从应用检测快速热瞬态且装置可能输出错误的温度警报。解决方法是实施具有使用户调整滤波器系数或滤波器强度的选项的集成数字滤波器。

通常，如果应用需要数字滤波器，那么使用微控制器来处理温度数据并对温度数据进行滤波。根据各种实施例，微控制器消耗明显高于温度传感器的操作电流或电力。因此，此集成特征消除微控制器的相关联处理要求，并使根据各种实施例的数字温度传感器对极低电力应用而言是理想的。

根据一些实施例，如图1中所展示的根据各种实施例的温度传感器100可具有若干功能块：固有传感器110及相关联调节电路120、模/数转换器130及用户可编程寄存器140。在此实例中，可使用二极管110来测量温度，且使用传感器调节电路120来偏置传感器二极管110且将二极管电压按比例调整到可测量电平。然而，根据其它实施例，可使用其它类型的传感器及(若需要)调节电路。基本上，温度传感器提供可容易地被转换成温度值的模拟信号，例如电压或电流。模拟值可与温度成比例或可具有已知线性或非线性关系。举例来说，可在传感器装置内使用存储于存储器中的表来检索对应于模拟值的温度值。

使用模/数转换器130来将周围温度数据转换为数字格式。数字温度数据在用户周围温度数据寄存器142中对用户可用。温度传感器可经设计以可通过寄存器140配置。举例来说，可使用不同操作模式，例如请求模式(其中仅在请求之后发射值)或自动发射模式(其中以预定间隔自动发射温度值)。可实施的又一操作模式将可从温度传感器装置读取新数据的通知信号提供到微控制器或处理器。根据又一模式，一旦已检测到预定义差量温度值，就将发生新温度值的自动发射，或在与通知模式组合时，可由温度传感器装置发出超过预定义差量或绝对温度值的新温度的通知。可实施其它操作模式。根据一些实施例，可如上文所述般实施多个操作模式，其中用户能够可编程地选择多个操作模式中的一者。

根据各种实施例，提供数字滤波器块150，其中使周围温度数字数据传递通过数字滤波器150的滤波器引擎。用户可使用滤波器系数数据寄存器144来调整滤波器系数或滤波器强度。接着，经滤波数据可用于经滤波温度寄存器146中。

此配置允许极低电力热管理。根据各种实施例的传感器100对温度数据进行滤波以防止错误警报，且比常规装置快约25倍，其中其短的操作时间节省电力。

典型微控制器任务包含通过平均化多个读数调节温度数据以减少错误温度警报，这使微控制器消耗电力(比传感器所消耗的多得多)。快速转换时间增大对测量系统热噪声的灵敏度。具有用户可编程滤波器强度的增加的数字滤波器150允许装置管理温度传感器内的热数据，因此微控制器不必唤醒来执行此任务。

表1展示根据各种实施例的待用于如图1中所展示的温度传感器100中的数字滤波器的实例。

表1

因此，将存储于(例如)控制寄存器的位6-4中的控制寄存器144中的值(如表1中所展示)用作为索引以选择多个预定义滤波器系数中的一者。可根据各种实施例而使用其它位，且上文提及的特定位仅为实例。因此，用户仅需存储选择号码来激活特定滤波器功能。如果索引等于0，那么整个滤波器将被停用。然而，其它实施例可使用不同配置过程。举例来说，滤波器可具有多个可变参数，且用户可将这些参数直接编程到各种寄存器中。虽然此选项向用户提供对滤波器的更多控制，但其也将涉及更复杂的设置程序。可实施一个以上类型的滤波器或其它额外功能，且用户可具有选择多个滤波器或后处理例程中的一者的机会。举例来说，根据各种实施例的数字温度传感器装置可具有额外平均化例程及存储可选或预定义平均数的相关联寄存器。可实施计算平均或几何平均值及任选其它统计值的各种平均化例程。

在此实施例中，滤波器是无限脉冲响应低通滤波器。根据实施例，可提供八个不同滤波器系数设置。控制寄存器144的三个位可提供如上文解释的这些选项。然而，根据其它实施例可提供更多或更少选项。此外，控制寄存器可具有可用于其它配置(例如如上文论述的操作模式)的更多位。如图2中可见，如果滤波器系数被设置为0，那么将不应用滤波器功能。因此，可将此设置用作为停用功能。其余七个设置从最小横跨到最大滤波器功能。

数字温度传感器100可进一步具有用于执行滤波器功能的控制逻辑160，且还可包含用于与外部微处理器或微控制器180通信的(例如)数字串行接口170。串行接口170可允许对所有寄存器140进行存取以设置功能性(例如，数字滤波器功能)，及自至少一或多个温度寄存器140、146读取温度数据。串行接口可为任何类型的串行接口，例如串行外围接口(SPI)、I²C接口，或尤其任何类型的单线接口，例如UNI/O、1-WIRE等等。也可使用能够在单通信线上供应电力以进一步减小外部引脚数目的串行接口。可如上文所论述般配置其它功能。

如图1中所展示，所测量的温度可被存储于单独寄存器142中，且经滤波温度值可被存储于另一寄存器146中。可呈现用于控制模/数转换器(例如，速度及分辨率)的进一步控制寄存器。

通常，常规数字传感器的温度转换速率对于高分辨率数据装置是约每秒4到8次。在此缓慢转换时间期间，装置消耗连续电流，且如果由微控制器实施数字滤波器，那么控制器可测量小部分传感器转换时间或电力内的温度数据并对所述温度数据进行滤波。因此，使用缓慢转换时间传感器实施集成数字滤波器不存在很大优势。但使用根据各种实施例的温度传感器的快速转换时间节省电力，且滤波器特征部通过卸载控制器需要的数据处理而节省电力。

图2展示取决于各种设置的无限脉冲响应(IIR)低通滤波器。将如下处理经滤波温度：

T_{A_FLT}＝a·T_A+(1-a)·T_{A_PRV}方程式1

可将此方程式1简化为：

T_{A_FLT}＝a·T_A-T_{A_PRV}·a+T_{A_PRV}方程式2

其中a＝1/2ⁿ，且n为用户可选滤波器系数。

Claims (21)

1.一种集成温度传感器装置，其包括：

温度传感器，其经配置以提供对应于周围温度的模拟信号；

模/数转换器，其接收所述模拟信号；及

可编程数字滤波器，其耦合到所述模/数转换器。

2.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其中所述温度传感器包括：

传感器元件；及

传感器调节电路，其与所述传感器元件耦合。

3.根据权利要求2所述的集成温度传感器装置，其中所述传感器元件是半导体二极管。

4.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其进一步包括：第一寄存器，所述第一寄存器与所述模/数转换器耦合以用于存储所述模/数转换器的输出。

5.根据权利要求4所述的集成温度传感器装置，其进一步包括：第二寄存器，所述第二寄存器与所述数字滤波器耦合以用于存储经滤波温度值。

6.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其进一步包括：控制寄存器，所述控制寄存器与所述数字滤波器耦合以用于存储所述可编程数字滤波器的滤波器系数。

7.根据权利要求6所述的集成温度传感器装置，其中所述控制寄存器经配置以停用所述数字滤波器。

8.根据权利要求7所述的集成温度传感器装置，其中所述控制寄存器被设置为0以停用所述数字滤波器。

9.根据权利要求6所述的集成温度传感器装置，其中所述控制寄存器选择多个预定义滤波器系数中的一者。

10.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其中所述模/数转换器是可操作以提供约每秒200次转换的高速模/数转换器。

11.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其进一步包括串行接口。

12.根据权利要求1所述的集成温度传感器装置，其中所述串行接口是从由以下各物组成的群组中选出：SPI、I²C或单线串行接口。

13.一种用于操作集成温度传感器装置的方法，其包括以下步骤：

由模/数转换器将由所述传感器元件提供的模拟值转换成数字温度值，

将所述数字值存储于相关联温度寄存器中，

将所述数字温度值馈送到数字滤波器，及

将经滤波温度值存储于相关联经滤波温度寄存器中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述传感器元件为半导体二极管。

15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将控制值存储于控制寄存器中，所述控制寄存器与所述数字滤波器耦合以用于选择滤波器系数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制寄存器经配置以在所述相关联控制值为0时停用所述数字滤波器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述控制值存储于所述控制寄存器的多个位中。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制寄存器选择多个预定义滤波器系数中的一者。

19.根据权利要求13所述的方法，其中可由微处理器或微控制器经由所述集成温度传感器装置的串行接口来读取所述温度寄存器及/或所述经滤波温度寄存器。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述串行接口是从由以下各物组成的群组中选出：SPI、I²C，或单线串行接口。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述模/数转换器是可操作以提供约每秒200次转换的高速模/数转换器。