CN109282856B - 一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器 - Google Patents

一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，包括顺序连接的多路选择器、ADC、控制单元；多路选择器，用于对输入信号进行选择，并将选择的信号发送至ADC；ADC，用于模拟信号向数字信号的转化；控制单元，控制多路选择器选择某路信号，并将通过ADC转换的数字多路信号存入寄存器。与传统的温度传感器相比较，半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点，无论是电压、电流、频率输出，在相当大的温度范围内都与温度成线性关系，适合在集成电路系统中应用。

Description

一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器
技术领域
本发明属于传感器设计应用领域，具体说是一种能同时检测温度、电压、电流信号的单芯片传感器。
背景技术
现代信息技术有三大基础：信息采集(即传感器技术)、信息传输(即通信技术)和信息处理(即计算机技术)。特别是传感器技术中的温度传感器，在工业生产监控，环境监测和生物医学仪器等很多领域都需要对温度进行测量和控制。温度传感器的发展大致经历了三个阶段：传统分立式温度传感器，模拟集成温度传感器和数字智能化温度传感器。随着IC技术的快速发展，温度传感器集成化成为了一个重要的趋势。此外，随着物联网的进一步普及，人们对传感器的要求也越来越高，在日常应用中，希望传感器采集参数多、体积小、高精度、低功耗、低成本、抗干扰能力强等等。而这样的要求，传统的传感器是无法胜任的，此时与集成电路工艺完美结合的集成传感器应运而生，其集成在一个芯片上，采集参数多，成本低，精度、功耗和抗干扰能力都能满足要求，能很好的满足物联网的应用。
发明内容
本发明目的是提供一种能同时检测温度、电压、电流信号的单芯片传感器，以克服上述传统传感器的缺陷。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，包括顺序连接的多路选择器、ADC、控制单元；
多路选择器，用于对输入信号进行选择，并将选择的信号发送至ADC；
ADC，用于模拟信号向数字信号的转化；
控制单元，用于控制多路选择器选择某路信号，并将通过ADC转换的数字多路信号存入寄存器。
所述多路选择器包括多对输入端；每对输入端连接测温传感器、电压、采样电阻中的一种。
所述测温传感器采用三极管，所述三极管的基极与集电极均与一对输入端的正极连接，发射极与该对输入端的负极连接。
所述采样电阻两端分别与一对输入端的正极、负极连接。
所述多路选择器包括多个选择单元；所述选择单元包括晶体管M1～晶体管M16；
所述M1栅极、M2栅极连接，M1漏极、M2漏极分别作为该单元的输出端Out1、Out1-；M3栅极、M4栅极连接，M3漏极、M4漏极分别作为该单元的输出端Out2、Out2-；M1源极、M3源极、M5漏极连接，M2源极、M4源极、M6漏极连接，M5栅极、M6栅极分别作为该单元的输入端in1、输入端in1-，M5源极、M6源极均与M7漏极连接，M7源极经电流源接地，M7栅极为控制端s4；M1栅极、M3栅极分别作为控制端s2、控制端s1；
所述M9栅极、M10栅极连接，M11漏极、M12漏极分别作为该单元的输出端Out2、Out2-；M11栅极、M12栅极连接，M11漏极、M12漏极分别与该单元的输出端Out2、Out2-连接；M9源极、M11源极、M13漏极连接，M10源极、M12源极、M14漏极连接，M13栅极、M14栅极分别作为该单元的输入端in2、输入端in2-，M13源极、M14源极均与M16漏极连接，M16源极经电流源接地，M16栅极为控制端s5；M12栅极、M10栅极分别作为控制端s1-、控制端s2-；
所述控制端s1、控制端s1-、控制端s2、控制端s2-、控制端s4、控制端s5与控制单元连接；
所述输入端in1与输入端in1-、输入端in2与输入端in2-分别接入输入信号；
所述输出端Out1、Out1-、Out2、Out2-与ADC连接。
所述控制单元通过设定通信协议将接收的数据发送至外部设备。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明与传统传感器相比体积更小、精度更高、功耗更低、成本更低。
2.本发明可以完成三种不同物理量电压、电流、温度的同时监控。
3.本发明与传统传感器相比，采用了标准的数字接口通讯方式。
附图说明
图1本发明的单芯片传感器功能框图；
图2本发明的多路选择器设计电路；
图3本发明的ADC设计电路_积分器；
图4本发明的ADC设计电路_积分器_运算放大器电路；
图5本发明的ADC设计电路_钟控比较器；
图6本发明的单芯片传感器应用框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
本发明的单芯片传感器是在硅基IC电路中，利用三极管的BE结随温度变化的特性，将温度物理量转换为电学量，以数字形式输出，通过总线接口，实现温度传感功能，从而进行温度精确测量与自动控制的电子元器件。与传统的温度传感器相比较，半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点，无论是电压、电流、频率输出，在相当大的温度范围内都与温度成线性关系，适合在集成电路系统中应用。温度测量使用三极管BE结作为测温传感器,可以是独立的NPN三极管,或者微处理器或FPGA内部的PNP三极管。功能框图1显示了产品的主要功能模块。输入信号通过输入多路选择器进行选择,通过控制逻辑模块进行控制。控制逻辑模块使用寄存器BANK中的模式选择(电压模式，电流模式，温度模式)为管理获取数据的顺序和获取数据的类型。在温度获取器件,控制逻辑模块也可以控制电流源。获取数据时固定的顺序为：C1，C2，C3，C4，C5，C6。其中通道C1与C2的组合，C3与C4的组合以及C5与C6的组合可以通过连接三极管检测环境温度，也可以连接采样电阻用于电流检测；通道C1，C2，C3，C4，C5，C6也可以分别独立的检测电压，ADC执行必要的转换，然后把数据存储在寄存器BANK中，控制逻辑根据命令字节执行相应的控制。数字通讯接口IIC或SPI用于和微处理器传输控制、状态和数据寄存器中的数据。
如图1所示，是单芯片传感器的功能框图。温度检测是利用三极管的BE结随温度变化的特性，将温度物理量转换为电学量，使用内部ADC及参考电压进行模数转化，最终的数字量存储在温度数据存储器中；电压检测利用片内的ADC及参考电压进行模数的转化，最终的数字量存储在电压数据存储器中；电流检测利用电压检测的原理，检测的是差分电压，再利用片内的ADC及参考电压进行模数的转化，最终的数字量存储在电流数据存储器中。三种不同物理量温度、电压、电流的同时检测是通过内部的多路选择器以及控制逻辑实现的。
如图2所示，是多路选择器设计电路。多路选择器电路有两路输入信号In1和In2，两路输出信号Out1和Out2。控制信号s1、s1-、s2、s2-和s3分别用于控制输入信号输出与否。电路中晶体管M1-M4及晶体管M9-M12为开关管，分别受到控制信号s1及s2的控制。M5-M6和M13-M14分别为信号输入管，它们分别与相连的开关管构成折叠结构。多路选择器电路工作原理如下：当电路中的控制信号s2为高电平时，对应的开关管M1-M2导通，M5-M6的输入信号In1从Out1输出端输出，并注入到下级电路中进行处理。当信号s2-为高电平时，对应的开关管M9-M10导通，M9-M10的输入信号In2从Out1输出端输出。当电路中的控制信号只有s1为高电平时，对应的开关管M3-M4导通，M5-M6的输入信号In1从Out2输出端输出，并注入到下级电路中进行处理；当控制信号只有s1-为高电平时，对应的开关管M11-M12导通，从M13-M14输入的信号In2从Out2输出端输出。这样实现了双输入双输出多路选择器。
ADC为现有技术。Σ-ΔADC一般由sigma-delta调制器和降采样数字滤波器两部分组成。其中起主要作用的Σ-Δ调制器包括一个积分器和钟控比较器。图3积分器电路中CS为釆样电容，CP为输入端寄生电容，CL为运放的输出寄生电容以及下级电路输入寄生电容的总和。积分器设计中，主要的是运算放大器电路如图4所示，左半部分电路是运放的偏置电路，釆用宽摆幅镜像电流源结构；电路中间部分是运放的输入级，M15和M16釆用PMOS作为运放的输入管，其制作于单独的阱中，有利于抑制衬底噪声。输出端釆用共源共栅结构来提高运放的直流增益，同时也满足输出摆幅的要求。设计中的钟控比较器采用的是锁存器结构比较器。为了使比较器满足时序上的要求，比较器被设计成边缘触发，如图5所示。锁存器的输入加在M1和M2的栅极。M1和M2工作在三极管线性区。输入值将是M3和M4的源极到地的电阻发生变化。锁存器使能时，即clk为高电平时，M3和M4的漏极将连到锁存器的输出。M3和M4构成锁存器的并行正反馈通路。在锁存器的输出端必须加上RS触发器，因为当clk为低电平时，锁存器进入复位模式，此时，锁存器的输出均为低，通过RS触发器使其输出保持原有状态，直至下一个比较器结果输出。
如图6所示，是单芯片传感器的应用框图。包括三个部分，分别为传感器的外围应用电路，微控制器的数据采集电路以及人机接口电路。通道C1和C2通过连接三极管V1组成了温度检测模块,实现温度的采集；通道C3、C4分别采集接入的电压量V1、V2，实现电压的采集；通道C5和C6通过连接采集电阻R1以及充电电池B1组成了电流检测模块，实现电流的采集。采集后的数据经ADC转化，分别存储在内部的数据存储器中。微控制器通过标准的数字通讯接口IIC/SPI，对传感器采集的数据进行控制和读取，然后再进行数据处理。微控制器把处理过的数据通过串口通讯传输给人机接口液晶屏完成显示，同时接收来自人机接口的按键命令，完成相应的操作。

Claims (4)

1.一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，其特征在于，包括顺序连接的多路选择器、ADC、控制单元；
多路选择器，用于对输入信号进行选择，并将选择的信号发送至ADC；
ADC，用于模拟信号向数字信号的转化；
控制单元，用于控制多路选择器选择某路信号，并将通过ADC转换的数字多路信号存入寄存器；
所述多路选择器包括多对输入端；每对输入端连接测温传感器、电压、采样电阻中的一种；
所述多路选择器电路有两路输入信号In1和In2，两路输出信号Out1和Out2； 控制信号s1、s1-、s2、s2-和s3分别用于控制输入信号输出与否；电路中晶体管M1-M4及晶体管M9-M12为开关管，分别受到控制信号s1及s2的控制；M5-M6和M13-M14分别为信号输入管，它们分别与相连的开关管构成折叠结构；
所述多路选择器包括多个选择单元；所述选择单元包括晶体管M1～晶体管M16；
所述M1栅极、M2栅极连接，M1漏极、M2漏极分别作为该单元的输出端Out1、Out1-；M3栅极、M4栅极连接，M3漏极、M4漏极分别作为该单元的输出端Out2、Out2-；M1源极、M3源极、M5漏极连接，M2源极、M4源极、M6漏极连接，M5栅极、M6栅极分别作为该单元的输入端in1、输入端in1-，M5源极、M6源极均与M7漏极连接，M7源极经电流源接地，M7栅极为控制端s4；M1栅极、M3栅极分别作为控制端s2、控制端s1；
所述M9栅极、M10栅极连接，M11漏极、M12漏极分别作为该单元的输出端Out2、Out2-；M11栅极、M12栅极连接，M11漏极、M12漏极分别与该单元的输出端Out2、Out2-连接；M9源极、M11源极、M13漏极连接，M10源极、M12源极、M14漏极连接，M13栅极、M14栅极分别作为该单元的输入端in2、输入端in2-，M13源极、M14源极均与M16漏极连接，M16源极经电流源接地，M16栅极为控制端s5；M12栅极、M10栅极分别作为控制端s1-、控制端s2-；
所述控制端s1、控制端s1-、控制端s2、控制端s2-、控制端s4、控制端s5与控制单元连接；
所述输入端in1与输入端in1-、输入端in2与输入端in2-分别接入输入信号；
所述输出端Out1、Out1-、Out2、Out2-与ADC连接；
Σ-ΔADC由sigma-delta调制器和降采样数字滤波器两部分组成，其中Σ-Δ调制器包括一个积分器和钟控比较器。
2.根据权利要求1所述的一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，其特征在于，所述测温传感器采用三极管，所述三极管的基极与集电极均与一对输入端的正极连接，发射极与该对输入端的负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，其特征在于，所述采样电阻两端分别与一对输入端的正极、负极连接。
4.根据权利要求1所述的一种同时检测温度/电压/电流信号的单芯片传感器，其特征在于，所述控制单元通过设定通信协议将接收的数据发送至外部设备。
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