CN112187270A - 温度传感器电路和温度传感模数转换方法 - Google Patents
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Abstract
温度传感器电路，涉及集成电路技术，本发明包括感温模块、第一选择器、积分器、积分器周期控制单元、比较器、比较器频率控制单元、滤波器和计数器，时钟电路为积分器周期控制单元、比较器频率控制单元和计数器提供时钟信号；所述时钟电路包括1倍周期输出模块、2倍周期输出模块和16倍周期输出模块，1倍周期输出模块与积分器周期控制单元连接，一个时钟选择开关的第一输入点接2倍周期输出模块，第二输入点接16倍周期输出模块，时钟选择开关的输出点与比较器频率控制单元、滤波器和计数器的时钟输入端连接，时钟选择开关的控制端与比较器的输出端连接。在同等精度下，本发明大幅度减少了转换时间，提高了温度传感器的时间灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
集成温度传感器芯片一般是利用PN结正向压降的温度特性来实现。PN正向电压VBE呈负温度系数，而不同电流密度的VBE之差ΔVBE呈正温度系数，VBE和ΔVBE可以合成一个不随温度变化的参考电压VREF，ΔVBE与VREF的比值表征温度值，参见图1。
现有温度传感器一阶Σ-ΔADC通过积分频率的不同，实现对电压15ΔVBE+VBE和ΔVBE-VBE的积分。积分频率为16kHz周期为Ts，对ΔVBE进行15次积分，对VBE进行1次积分，即16Ts得到对电压15ΔVBE+VBE的积分；积分频率为2kHz周期为8Ts，对ΔVBE进行1次积分，对-VBE进行1次积分，即16Ts得到对电压ΔVBE-VBE的积分。
现有技术的温度传感器原理如图2所示，包括感温模块和一阶Σ-ΔADC模块。感温模块提供感温的模拟量ΔVBE电压和VBE电压，然后经过一阶Σ-ΔADC转换为数字温度值。一阶Σ-ΔADC包括积分器、比较器和数字滤波器(使用计数器作为数字滤波器)等。
开始工作时，ADC输入电压为8ΔVBE，然后进行积分，积分输出值和GND进行比较。如果积分输出值大于GND，比较器输出为1，输入电压减去参考电压，即8ΔVBE-(7ΔVBE+VBE)＝ΔVBE-VBE，然后ΔVBE-VBE作为新的输入电压再次进行积分和比较；如果积分输出值小于GND，比较器输出为0，输入加上参考电压，即8ΔVBE+(7ΔVBE+VBE)＝15ΔVBE+VBE，然后15ΔVBE+VBE作为新的输入电压再次进行积分和比较。
设总的计数器周期数为N(计数器等于N时，ADC转换结束)，输出为1的周期数为A，则根据电荷平衡原理得到：
(N-A)*(15ΔVBE+VBE)＝A*(ΔVBE-VBE)，
当比较器输出为1时，滤波器计数加1。当比较器输出为0时，滤波器计数减1。则
(N0是数字滤波器初始值)。
由于Σ-ΔADC调制器的输入近似为直流信号，ADC最高精度为：ENOB＝log2N。
缺点：ADC的转换时间为16T*N＝16T*2ENOB，为了实现高精度，ENOB每增加一位，转换时间就增大一倍。
设T＝3.4us，精度ENOB为13位，则转换时间为16*3.4us*213＝445.6ms。如果精度ENOB提高一位，转换时间为16*3.4us*214＝891.2ms，转换时间增加一倍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精度和较少转换时间的温度传感器电路和温度传感模数转换方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，温度传感器电路，包括感温模块、第一选择器、积分器、积分器周期控制单元、比较器、比较器频率控制单元、滤波器和计数器，
感温模块具有ΔVBE输出端和VBE输出端，
第一选择器的输出端接积分器，
积分器周期控制单元与积分器连接，以控制积分时间；
比较器频率控制单元与比较器连接，以控制比较器工作频率；
积分器的输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接GND，比较器的输出端接滤波器，比较器的输出端还连接选择器的控制端，
第一电平叠加电路连接第一选择器的第一输入端，第二电平叠加电路的输出端连接第一选择器的第二输入端，第一选择器的第三输入端连接初始电压生成电路，所述第一电平叠加电路、第二电平叠加电路和初始电压生成电路皆与感温模块连接，时钟电路为积分器周期控制单元、比较器频率控制单元和计数器提供时钟信号；
所述时钟电路包括1倍周期输出模块、2倍周期输出模块和16倍周期输出模块，1倍周期输出模块与积分器周期控制单元连接，
一个时钟选择开关的第一输入点接2倍周期输出模块，第二输入点接16倍周期输出模块，时钟选择开关的输出点与比较器频率控制单元、滤波器和计数器的时钟输入端连接，
时钟选择开关的控制端与比较器的输出端连接。
本发明的温度传感模数转换方法，包括下述步骤：
1)将初始电压接入积分器，对初始电压进行积分；
2)积分结果与地电平作比较并累计比较次数，比较的结果输入滤波器，并判断：
若累计次数达到预设值则将滤波器输出作为温度输出值，
若累计次数未达到预设值，则进入步骤3)；
3)判断：若积分结果小于地电平则将积分器的输入切换为加法模式输入并进入步骤4)，若其大于地电平则将积分器的输入切换为减法模式输入并进入步骤5)；
4)以第一时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
5)以第二时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
所述加法模式为以15*ΔVBE+VBE作为输入；
所述减法模式为以ΔVBE-VBE作为输入；
ΔVBE和VBE为感温模块的输出信号；
第一时长值和第二时长值相等，记为T，
所述步骤3)中，若积分结果小于地电平则将比较器的周期设置为16T，若积分结果大于地电平则将比较器的周期设置为2T。
本发明的有益效果是，相较于现有技术，在同等精度下，大幅度减少了转换时间，提高了温度传感器的时间灵敏度。
附图说明
图1是ΔVBE和VBE的温度-电压特性曲线图。
图2是现有技术的原理图。
图3是本发明的原理图。
图4是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图4，温度传感器电路，包括感温模块、第一选择器、积分器、积分器周期控制单元、比较器、比较器频率控制单元、滤波器和计数器，
感温模块具有ΔVBE输出端和VBE输出端，
第一选择器的输出端接积分器，
积分器周期控制单元与积分器连接，以控制积分时间；
比较器频率控制单元与比较器连接，以控制比较器工作频率；
积分器的输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接GND，比较器的输出端接滤波器，比较器的输出端还连接选择器的控制端，
第一电平叠加电路连接第一选择器的第一输入端，第二电平叠加电路的输出端连接第一选择器的第二输入端，第一选择器的第三输入端连接初始电压生成电路，所述第一电平叠加电路、第二电平叠加电路和初始电压生成电路皆与感温模块连接，时钟电路为积分器周期控制单元、比较器频率控制单元和计数器提供时钟信号；
所述时钟电路包括1倍周期输出模块、2倍周期输出模块和16倍周期输出模块，1倍周期输出模块与积分器周期控制单元连接，
一个时钟选择开关的第一输入点接2倍周期输出模块，第二输入点接16倍周期输出模块，时钟选择开关的输出点与比较器频率控制单元、滤波器和计数器的时钟输入端连接，
时钟选择开关的控制端与比较器的输出端连接。计数器用于存储比较器的输出次数，达到预定数值后输出测温结果并结束当前测温。
本发明的温度传感模数转换方法，包括下述步骤：
1)将初始电压接入积分器，对初始电压进行积分；
2)积分结果与地电平作比较并累计比较次数，比较的结果输入滤波器，并判断：
若累计次数达到预设值则将滤波器输出作为温度输出值，当前测温阶段结束。
若累计次数未达到预设值，则进入步骤3)；
3)判断：若积分结果小于地电平则将积分器的输入切换为加法模式输入并进入步骤4)，若其大于地电平则将积分器的输入切换为减法模式输入并进入步骤5)；
4)以第一时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
5)以第二时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
所述加法模式为以15*ΔVBE+VBE作为输入；
所述减法模式为以ΔVBE-VBE作为输入；
ΔVBE和VBE为感温模块的输出信号；
第一时长值和第二时长值相等，记为T，步骤1)中初始电压积分时长为2T。
所述步骤3)中，若积分结果小于地电平则将比较器和滤波器的周期设置为16T，若积分结果大于地电平则将比较器和滤波器的周期设置为2T。
参见图3，本发明对比较器的输出进行判断：如果比较器电路输出1，计数器时钟周期为2T；如果比较器电路输出0，计数器时钟周期为16T。ADC的转换时间减小为：16T*(N-A)+2T*A＝16T*N-14T*A。相对于现有技术的转换时间16T*N，本发明的转换时间减小了14T*A。二者相比，14T*A/16T*N＝57.7％～67.3％。
本发明的特点是通过比较器电路改变计数器、比较器和滤波器的周期，从而减小了转换时间。说明书和附图已经清楚的说明了本发明必要技术内容，普通技术人员能够据此实施，故不再赘述更详细的技术细节。
Claims (2)
1.温度传感器电路，包括感温模块、第一选择器、积分器、积分器周期控制单元、比较器、比较器频率控制单元、滤波器和计数器，
感温模块具有ΔVBE输出端和VBE输出端，
第一选择器的输出端接积分器，
积分器周期控制单元与积分器连接，以控制积分时间；
比较器频率控制单元与比较器连接，以控制比较器工作频率；
积分器的输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接GND，比较器的输出端接滤波器，比较器的输出端还连接选择器的控制端，
第一电平叠加电路连接第一选择器的第一输入端，第二电平叠加电路的输出端连接第一选择器的第二输入端，第一选择器的第三输入端连接初始电压生成电路，所述第一电平叠加电路、第二电平叠加电路和初始电压生成电路皆与感温模块连接，时钟电路为积分器周期控制单元、比较器频率控制单元和计数器提供时钟信号；
其特征在于：
所述时钟电路包括1倍周期输出模块、2倍周期输出模块和16倍周期输出模块，1倍周期输出模块与积分器周期控制单元连接，
一个时钟选择开关的第一输入点接2倍周期输出模块，第二输入点接16倍周期输出模块，时钟选择开关的输出点与比较器频率控制单元、滤波器和计数器的时钟输入端连接，
时钟选择开关的控制端与比较器的输出端连接。
2.温度传感模数转换方法，包括下述步骤：
1)将初始电压接入积分器，对初始电压进行积分；
2)积分结果与地电平作比较并累计比较次数，比较的结果输入滤波器，并判断：
若累计次数达到预设值则将滤波器输出作为温度输出值，
若累计次数未达到预设值，则进入步骤3)；
3)判断：若积分结果小于地电平则将积分器的输入切换为加法模式输入并进入步骤4)，若其大于地电平则将积分器的输入切换为减法模式输入并进入步骤5)；
4)以第一时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
5)以第二时长值作为一个积分周期，对积分器的输入进行积分，然后返回步骤2)；
所述加法模式为以15*ΔVBE+VBE作为输入；
所述减法模式为以ΔVBE-VBE作为输入；
ΔVBE和VBE为感温模块的输出信号；
其特征在于，
第一时长值和第二时长值相等，记为T，
所述步骤3)中，若积分结果小于地电平则将比较器的周期设置为16T，若积分结果大于地电平则将比较器的周期设置为2T。
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