CN111044163B - 一种具有报警输出功能的温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有报警输出功能的温度传感器，包括ADC、寄存器、比较器A、比较器B和异或门；所述ADC，用于将采集的模拟信号转换为数字信号，输出至寄存器、比较器A、比较器B；所述寄存器，用于存储低限阈值、高限阈值和配置的报警使能；接收数字信号并存储，并输出低限阈值、高限阈值分别至比较器A、比较器B，将寄存器中的报警使能输出至异或门；所述比较器A，比较器B，分别用于将数字信号与低、高限阈值作比较，输出比较结果至异或门；所述异或门，用于将所述比较器A、比较器B的比较结果与报警使能进行异或运算，输出运算结果。本发明根据微控制器的配置命令，可以直接输出能控制继电器或其他受控器件的信号，无需微控制器再分配资源进行单独控制。

Description

一种具有报警输出功能的温度传感器
技术领域
本发明属于传感器设计应用领域，具体说是一种具有报警输出功能的温度传感器设计方法。
背景技术
随着计算机、微处理技术、半导体集成技术的发展，微处理器和存储器的发展不断进步，敏感元件与信号处理电路可以集成在同一芯片上，使传感器能够实现更完善、更先进的功能，为智能传感器的发展奠定了基础。而智能集成化多功能监视传感器,作为智能传感器类的重要发展方向，备受国家重视，具有广阔的发展前景。一种具有报警输出功能的温度传感器除了能检测环境温度外，还可以根据设定的温度报警高、低限值，直接输出控制信号，实现对继电器或其他受控器件的控制，可以广泛应用在工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品等领域。
发明内容
本发明目的是提供一种具有报警输出功能的温度传感器设计方法，以简化传统微控制器检测温度后再控制继电器或其他受控器件的控制方式。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种具有报警输出功能的温度传感器，包括ADC、寄存器、比较器A、比较器B和异或门；
所述ADC，用于将采集的模拟信号转换为数字信号，输出至寄存器、比较器A、比较器B；
所述寄存器，用于存储低限阈值、高限阈值和配置的报警使能；接收数字信号并存储，并输出低限阈值、高限阈值分别至比较器A、比较器B，将寄存器中的报警使能输出至异或门；
所述比较器A，用于将数字信号与低限阈值作比较，输出比较结果至异或门；
所述比较器B，用于将数字信号与高限阈值作比较，输出比较结果至异或门；
所述异或门，用于将所述比较器A、比较器B的比较结果与报警使能进行异或运算，输出运算结果。
所述比较器A或比较器B包括依次连接偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路；
所述偏置电路包括MOS管M1和M2；M1和M2的栅极连接，M1的源极与电源连接，漏极与M2的漏极连接，M2的源极接地；
所述差分放大器包括MOS管M3、M4、M5、M7和M8；M3的栅极、M4的栅极分别作为同相输入端和反相输入端，M3的漏极、M4的漏极分别与M7漏极、M8漏极连接，M7栅极与M8栅极连接，M7源极、M8源极均与电源连接；M3源极和M4源极与M5漏极连接，M5源极接地，M5栅极、M4漏极和M8的漏极与共源放大器连接；
所述共源放大器包括MOS管M6、M9；M6栅极与M5栅极连接，M6源极接地，M6漏极与M9漏极连接，M9栅极与M4漏极、M8的漏极连接，M9源极与电源连接，M9漏极、M6漏极与推挽级输出电路连接；
所述推挽级输出电路包括MOS管M10、M11；M10源极与电源连接，M10漏极与M11漏极连接并作为比较器A或比较器B的输出端，M10栅极和M11栅极与M9漏极、M6漏极连接，M11源极接地。
所述M1、M7、M8、M9、M10为PMOS管，所述M2、M3、M4、M5、M6、M11为NMOS管。
所述异或门包括MOS管和反相器；所述MOS管T1漏极与MOS管T2漏极、MOS管T4漏极、MOS管T5漏极连接，MOS管T1源极与MOS管T2栅极、MOS管T4栅极、MOS管T5栅极、MOS管T3源极连接；MOS管T1栅极与T4源极、T2源极连接，并作为异或门的第一输入端，MOS管T1源极作为异或门的第二输入端；第一输入端通过第一反相器与T3栅极、T5源极连接，T4漏极通过第二反相器后，作为异或门的输出端XOR。
所述T1、T2、T4为NMOS管，T3、T5为PMOS管。
所述异或门输出端通过OC门输出0或1。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.传感器根据微控制器的配置命令，可以直接输出能控制继电器或其他受控器件的信号，无需微控制器再分配资源进行单独控制。
附图说明
图1本发明的传感器功能框图；
图2本发明的ADC设计电路_积分器；
图3本发明的ADC设计电路_积分器_运算放大器电路；
图4本发明的ADC设计电路_钟控比较器；
图5本发明的电压比较器电路；
图6本发明的异或门电路；
图7本发明的传感器应用框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的温度传感器是在硅基电路中，利用二极管PN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的电子元器件。在传感器内部的寄存器BANK中，可以预先设定温度报警高、低限值，采集的环境温度与高、低限值进行比较，比较结果通过异或运算输出到ALERT引脚，从而实现对继电器或其他受控器件的控制。传统的控制方式是微控制器通过温度传感器获取温度信号，然后计算获得温度值，根据计算得到的温度值，再由微控制器分配资源控制继电器或其他受控器件动作。功能框图1显示了产品的主要功能模块。通过电路内部的本地温度传感器检测环境温度，通过12位ADC进行模数转换，然后把数据存储在寄存器BANK中的温度寄存器中，数字通讯接口I2C用于和微处理器传输配置命令和读取温度寄存器中的数据，配置寄存器存储配置命令，低限寄存器存储低限值，高限寄存器存储高限值，比较器对温度与低限值以及温度与高限值进行比较，比较结果通过异或运算输出到ALERT引脚。
如图1所示，是传感器的功能框图。本地温度检测是利用芯片内部二极管PN结随温度变化的特性，将温度物理量转换为电学量，利用片内的ADC进行模数的转化，最终的数字量存储在温度寄存器中。配置寄存器存储微控制器的配置命令，高限和低限寄存器存储想要设定的高、低限值，两个比较器分别进行温度与低限值以及温度与高限值的比较，比较的结果与配置寄存器中的报警使能进行异或运算，最后运算结果通过ALERT引脚输出。
12位ADC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2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3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4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5所示，是电压比较器电路原理图。该比较器由偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路组成。其中，M1管和M2管组成偏置电压电路，为差分放大器和共源放大器提供偏置电压。通过调节M1管和M2管的宽长比，让差分放大器和共源放大器得到合适的工作电流。M10管和M11管组成一个推挽输出级电路，提升输出信号的驱动能力，为了能更好的和其它电路进行协同工作。该电压比较器的工作原理如下：Va是同相输入端，Vb是反相输入端。当Va输入电压高于Vb时，M3管导通，M3管和M7管的电流相同，M8管又与M7管为镜像电流关系，M8管导通，b点为高电平，c点为低电平，Vo输出高电平。当Va输入电压低于Vb时，M4管导通阻抗低，b点为低电平，导致M9管导通，c点为高电平，Vo输出为低电平。
如图6所示，是异或门电路原理图。该电路的工作原理可描述如下:当xy＝00时,T5导通并完全传输高电平,从而节点A处的电平为1,经反相器后输出为0；xy＝01时,T2、T4导通,节点A处的电平为0,经反相器后输出为1；xy＝10时，T1导通，节点A处的电平为0，经反相器后输出为1；xy＝11时，T3导通，节点A处的电平为1，经反相器后输出为0。
如图7所示，是传感器的应用框图。包括两个部分，分别为传感器的外围应用电路以及微控制器的控制电路。传感器的本地温度检测模块，实现温度的采集，采集后的数据经ADC转化，存储在寄存器BANK中的温度寄存器中。微控制器通过标准的数字通讯接口I2C，对传感器进行读写命令操作，包括温度报警功能高限和低限的设置和配置寄存器的设置。当传感器温度检测模块检测的温度高于温度报警功能的高限或低于温度报警功能的低限时，ALERT引脚输出控制信号，最后通过驱动电路实现对继电器或其他受控器件的控制。

Claims (4)

1.一种具有报警输出功能的温度传感器，其特征在于，包括ADC、寄存器、比较器A、比较器B和异或门；
所述ADC，用于将采集的模拟信号转换为数字信号，输出至寄存器、比较器A、比较器B；
所述寄存器，用于存储低限阈值、高限阈值和配置的报警使能；接收数字信号并存储，并输出低限阈值、高限阈值分别至比较器A、比较器B，将寄存器中的报警使能输出至异或门；
所述比较器A，用于将数字信号与低限阈值作比较，输出比较结果至异或门；
所述比较器B，用于将数字信号与高限阈值作比较，输出比较结果至异或门；
所述异或门，用于将所述比较器A、比较器B的比较结果与报警使能进行异或运算，输出运算结果；
所述比较器A或比较器B包括依次连接偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路；
所述偏置电路包括MOS管M1和M2；M1和M2的栅极连接，M1的源极与电源连接，漏极与M2的漏极连接，M2的源极接地；
所述差分放大器包括MOS管M3、M4、M5、M7和M8；M3的栅极、M4的栅极分别作为同相输入端和反相输入端，M3的漏极、M4的漏极分别与M7漏极、M8漏极连接，M7栅极与M8栅极连接，M7源极、M8源极均与电源连接；M3源极和M4源极与M5漏极连接，M5源极接地，M5栅极、M4漏极和M8的漏极与共源放大器连接；
所述共源放大器包括MOS管M6、M9；M6栅极与M5栅极连接，M6源极接地，M6漏极与M9漏极连接，M9栅极与M4漏极、M8的漏极连接，M9源极与电源连接，M9漏极、M6漏极与推挽级输出电路连接；
所述推挽级输出电路包括MOS管M10、M11；M10源极与电源连接，M10漏极与M11漏极连接并作为比较器A或比较器B的输出端，M10栅极和M11栅极与M9漏极、M6漏极连接，M11源极接地；
所述ADC由sigma-delta调制器和降采样数字滤波器两部分组成，所述sigma-delta调制器包括一个积分器和钟控比较器；
所述异或门包括MOS管和反相器；所述MOS管T1漏极与MOS管T2漏极、MOS管T4漏极、MOS管T5漏极连接，MOS管T1源极与MOS管T2栅极、MOS管T4栅极、MOS管T5栅极、MOS管T3源极连接；MOS管T1栅极与T4源极、T2源极连接，并作为异或门的第一输入端，MOS管T1源极作为异或门的第二输入端；第一输入端通过第一反相器与T3栅极、T5源极连接，T4漏极通过第二反相器后，作为异或门的输出端XOR。
2.根据权利要求1所述的一种具有报警输出功能的温度传感器，其特征在于，所述M1、M7、M8、M9、M10为PMOS管，所述M2、M3、M4、M5、M6、M11为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的一种具有报警输出功能的温度传感器，其特征在于，所述T1、T2、T4为NMOS管，T3、T5为PMOS管。
4.根据权利要求1所述的一种具有报警输出功能的温度传感器，其特征在于，所述异或门输出端通过OC门输出0或1。
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