CN112665743A

CN112665743A - 一种多通道带脉宽调制输出的单片数字温度传感器

Info

Publication number: CN112665743A
Application number: CN202011501978.8A
Authority: CN
Inventors: 尹自强; 吴会利; 范军
Original assignee: No47 Institute Of China Electronics Technology Group Corp
Current assignee: No47 Institute Of China Electronics Technology Group Corp
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112665743B

Abstract

本发明涉及一种多通道带脉宽调制输出的温度传感器。包括数据选择器、模数转换器(ADC)、带隙基准、控制逻辑、数字总线、脉宽调制器和数字总线逻辑。一共四路通道，可以测量四路单端电压，可以两个通道配合使用测量差分电压及温度和电流。电路具有PWM输出，根据测量温度实际值和设定的温度值的差值调整输出脉冲高低电平的脉宽。本发明具有PWM输出，PWM输出是一个和V3端口温度有关的9位、1KHz输出信号，该输出可以控制风扇和加热器，给芯片降温，实现闭环的自主健康管理。

Description

一种多通道带脉宽调制输出的单片数字温度传感器

技术领域

本发明涉及单片温度传感器电路，具体说是一种多通道带脉宽调制(PWM)输出的温度传感器。

背景技术

随着物联网概念的普及，温度传感器市场迎来了发展机遇，无论工业控制、农业生产、汽车电子、消费电子、医疗电子，还是军工、航天和特种设备方面都有温度传感器的应用。单片数字温度以其体积小，功耗低，集成度高，不需外加信号处理电路等优点，成为最有前景的温度传感器。

目前的单片数字温度传感器功能相对单一，或者只具有多通道测量功能，或者只具有过温报警功能。即使同时具有多通道测量功能和过温报警功能，也不能形成闭环系统，实现电子系统的自我健康管理。

发明内容

本发明目的是提供一种多通道带脉宽调制输出的单片数字温度传感器，以克服目前单片数字温度传感器不能自己实现闭环的缺点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：四路通道的输入信号通过输入选择器进行选择,由控制逻辑模块进行控制。控制逻辑模块使用控制寄存器中的模式位管理获取数据的顺序和获取数据的类型。获取数据固定的顺序为:V1,V2,V3,V4。ADC转换完成后,通过逻辑控制将数据提供给相对应的数据寄存器。数字总线接口用于和主器件进行控制信号、状态信号和数据信号的传输。

一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，包括数据选择器、ADC、带隙基准电路、脉宽调制器和控制逻辑单元；

所述数据选择器，用于接入电压V1、V2、V3、V4中至少两个电压信号，并根据控制逻辑单元触发对电压信号进行通断控制；

所述带隙基准电路，用于根据晶体管的E-B结电压差的正温度特性补偿E-B结电压的负温度特性，从而输出一个不随温度变化的零温度特性的电压，输出至ADC；

所述ADC，用于根据电压对数据选择器输出的电压信号进行校准，输出校准后的电压数字信号至控制逻辑单元；

所述脉宽调制器，用于根据控制逻辑单元的指令以及V3通道测量的温度值输出不同脉宽比例的调制信号至外部的散热器或加热器；

所述控制逻辑单元，用于存储指令数据并将ADC输出的电压数字信号与上位机指令给定的温度阈值进行比较，输出指令至脉宽调制器以控制脉宽调制器的输出占空比。

所述数据选择器包括多个传输门；

第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门并联，四个传输门的输入端分别用于接入电压V1、V2、V3、V4，四个传输门的输出端均与第五传输门的输入端连接，第五传输门的输出端作为数据选择器的第一输出端；

第六传输门、第七传输门并联，输入端分别用于接入电压V2、V4，两个传输门的输出端均与第八传输门的输入端连接，第八传输门的输出端作为数据选择器的第二输出端；

所述数据选择器的第一输出端与第二输出端与ADC连接。

所述带隙基准电路包括运算放大器、三极管Q1、三极管Q2、晶体管P1、晶体管P2；

所述运算放大器的正向输入端、反向输入端分别通过电阻R3、R4与电源连接，还分别与三极管Q1集电极、Q2集电极连接；运算放大器的输出端与三极管Q1基极、Q2基极连接，三极管Q1发射极、Q2发射极连接，并通过串联的修调电阻Rtrim、电阻R1接地；

三极管Q1的发射极与晶体管P1的栅极连接，晶体管P2的栅极通过电阻R5与运算放大器的输出端连接，还通过电阻R6接地；晶体管P1源极、晶体管P2源极接入基准电流，晶体管P1漏极、晶体管P2漏极连接，并与Rtrim、电阻R1间的结点连接；

运算放大器的输出端作为带隙基准电路的输出端，与ADC连接。

所述三极管Q2的发射极依次通过电阻R2、电阻Rtrim、电阻R1接地。

所述脉宽调制器包括第一～第十寄存器，每个寄存器的时钟端接入时钟信号；

十个寄存器的数据输入端D分别通过缓冲器与对应的减法器输出端连接，每个减法器的两个输入端分别接入来自控制逻辑单元的温度阈值、来自V3通道测量温度的数字电压信号的信号；

第二寄存器～第九寄存器的数据输出端Q与上一序号的寄存器输入端D1连接；

第一寄存器的数据输出端Q悬空，第十寄存器的输入端D1用于输入低电平；

第二寄存器～第四寄存器的输出端分别与或门A的三个输入端连接，或门A的输出端与与门A的第二输入端连接；第一寄存器的输出端通过缓冲器A与与门A的第一输入端连接；

第五寄存器～第十寄存器的输出端与译码电路连接，缓冲器A的输出端、译码电路输出端分别与与门B的两个输入端连接；

与门A的输出端、与门B的输出端分别与或门的两个输入端连接，或门输出端作为脉宽调制器的输出端，从电路端口与外部加热器或风扇的控制端连接。

所述数据选择器同时测量四个电压或两个差分电压或两个三极管温度。

所述数据选择器具有四个独立端口，为四选一的数据选择器，通过控制逻辑选通某一路。

采用分段线性补偿加修调电阻的方法来对基准电压电路进行温度补偿。分段线性补偿法是在不同温度段内对基准电压进行补偿，划分更多的温度段进行补偿，使基准电压越精确。

所述ADC的架构为14位的sigma-delta型ADC，采用二阶调制器，过采样率为1024倍。

在温度转换期间，电流通过数据选择器输入电压V1、V3的引脚，流向温度传感器外边连接的传感器三极管，从V2、V4流回电路，通过测量外部三极管E-B结的电压差ΔV_BE以表征温度；其中，传感器三极管的基极与集电极连接，并与数据选择器的V2或V4输入端连接，传感器三极管的发射极与数据选择器的V1或V3输入端连接。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明包含4路通道，可以同时对4路电压或两路差分电压或两路远程三极管温度进行测量。

2.本发明可以直接测量单端电压，差分电压，通过一个附加的mΩ级检流电阻测试电流。

3.本发明具有PWM输出，PWM输出是一个和V3端口温度有关的9位、1KHz输出信号，该输出可以控制风扇和加热器，给芯片降温，实现闭环的自主健康管理。

附图说明

图1本发明的多通道带脉宽调制输出温度传感器框架图；

其中，1数据选择器，2ADC，3带隙基准，4控制逻辑，5数字总线，6脉宽调制器。

图2本发明的数据选择器电路图；

图3本发明的带隙基准电路图；

图4本发明的PWM电路图；

图5为PWM仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明具有多个测量通道，可以同时测量四个电压或两个差分电压或两个三极管温度，内置高精度ADC，具有PWM输出。具有四个独立端口，内部包括一个四选一的数据选择器，通过控制逻辑选通某一路。

带隙基准采用分段线性补偿加修调电阻的方法来对基准电压电路进行温度补偿。分段线性补偿法是在不同温度段内对基准电压进行补偿，划分更多的温度段进行补偿，使基准电压越精确。

高精度ADC架构为14位的sigma-delta型ADC，采用二阶调制器，过采样率为1024倍。

远程温度测量在温度转换期间，电流通过V1，V3引脚，流向远程传感器三极管，从V2，V4流回电路，通过测量ΔV_BE表征温度。

PWM输出，内部包含一个减法器电路，通过测量温度值和设定的温度值的减法运算，求出差值，该差值对应输出脉冲高低电平的脉宽。

如图1所示，本发明为一款四通道的监控电路，用于检测电子系统的温度、电压和电流。通过数字串行总线进行数据通信，四个通道可单独测量电源电压,也可以2个通道配合进行电流测量或温度测量。输入信号通过输入选择器进行选择,由控制逻辑进行选通控制。控制逻辑模块使用控制寄存器中的模式位管理获取数据的顺序和数据的类型。在读取远程温度时,控制逻辑模块也可以控制远程三极管。获取数据固定的顺序为:V1,V2,V3,V4。ADC转换完成后,通过逻辑控制将数据提供给相对应的数据寄存器。数字接口用于和主器件进行控制信号、状态信号和数据信号的传输。

如图2所示，数据选择器用于选择电路外部某个通道的信号进入电路进行转换，数据选择器由多个传输门组成，数据输入V1，V2，V3，V4来自电路端口。其结构分为上下两部分，上半部分为单端电压测量模式多路选择，上半部分和下半部分结合可以测量差分测量电流和温度，测得模拟电压给到ADC进行数模转换。

如图3所示，根据放大器虚短特性，将其两个输入端强制相同电位，Q1和Q2的基极(B)和集电极(C)电位相同，Q1的发射极(E)和Q2发射极经过电阻连接到一起，因此R2两端的电压为Q1的E-B结电压V_BEQ1和Q2的E-B结电压V_BEQ2的差值ΔV_BE。ΔV_BE是和温度呈完全的正线性关系的，V_BE是和温度呈负线性关系，本电路将Q1、Q2产生ΔV_BE、ΔV_BE通过放大器将二者按一定比例相加，产生一个零温度系数电压。但是V_BE并非完全呈线性的负温度系数，还具有二阶及高阶项，因此ΔV_BE和V_BE按比例相加只能抵消V_BE的一阶温度系数项，高阶温度项会随着温度的升高是基准电压急剧下降。在温度范围-55℃到125℃内非线性项高阶项会使基准电压精度受到限制，因此需要对基准电压电流进行温度的曲率补偿。

采用分段线性补偿加修调电阻的方法来对基准电压电路进行温度补偿。分段线性补偿法是在不同温度段内对基准电压进行补偿，划分更多的温度段进行补偿，基准电压越精确。

trimming技术是依据一定的原理通过对电路中的电阻尺寸进行改变，来实现有效抑制工艺波动等设计上很难消除的因素对电路性能的影响的。trimming电路通过将正温度系数电流或负温度系数电流注入到一个可编程电阻，进而产生一个可编程的基准电压。

如图4所示，电路由减法器、寄存器、译码电路及控制逻辑几个部分组成。首先PWM的阈值(PWM[0]---PWM[8])和实际测得的温度数据(D[0]---D[8])进行减法计算，计算结果给寄存器进行存储，通过译码电路以及控制逻辑将结果输出。

PWM输出是和V3通道电压成比例的1个9位、1KHz的脉宽可调节的输出，可以控制风扇或加热器。PWM是一个9位值可以最小精确到1开尔文度。V3值减去PWM门限值决定了输出脉冲宽度，可以通过控制逻辑控制其使能和反相控制功能。注意里面有一个斯密特触发器，利用前后的延时产生触发器的清零信号，而该信号决定了触发器何时变为0，也就是决定了PWM的占空比。

图5为PWM仿真结果。Q表示PWM输出，CP1表示PWM中寄存器的时钟。将时钟设置为2us，输出周期为1024us，同时占空比50％。

Claims

1.一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，包括数据选择器、ADC、带隙基准电路、脉宽调制器和控制逻辑单元；

2.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述数据选择器包括多个传输门；

所述数据选择器的第一输出端与第二输出端与ADC连接。

3.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述带隙基准电路包括运算放大器、三极管Q1、三极管Q2、晶体管P1、晶体管P2；

4.根据权利要求3所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述三极管Q2的发射极依次通过电阻R2、电阻Rtrim、电阻R1接地。

5.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述脉宽调制器包括第一～第十寄存器，每个寄存器的时钟端接入时钟信号；

6.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述数据选择器同时测量四个电压或两个差分电压或两个三极管温度。

7.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述数据选择器具有四个独立端口，为四选一的数据选择器，通过控制逻辑选通某一路。

8.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，采用分段线性补偿加修调电阻的方法来对基准电压电路进行温度补偿。分段线性补偿法是在不同温度段内对基准电压进行补偿，划分更多的温度段进行补偿，使基准电压越精确。

9.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于，所述ADC的架构为14位的sigma-delta型ADC，采用二阶调制器，过采样率为1024倍。

10.根据权利要求1所述的一种多通道具有脉宽调制输出的温度传感器，其特征在于所述，在温度转换期间，电流通过数据选择器输入电压V1、V3的引脚，流向温度传感器外边连接的传感器三极管，从V2、V4流回电路，通过测量外部三极管E-B结的电压差ΔV_BE以表征温度；其中，传感器三极管的基极与集电极连接，并与数据选择器的V2或V4输入端连接，传感器三极管的发射极与数据选择器的V1或V3输入端连接。