CN117978168A - 频率转换模块及温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频率转换模块及温度传感器，所述频率转换模块包括：正温度频率转换单元，配置为生成大小与温度呈正相关的正温度系数电流；运算放大器，电连接所述正温度频率转换单元，依据温度电压及参考电压生成运放信号；压控振荡器，电连接所述运算放大器，依据所述运放信号生成振荡信号；非重叠信号产生器，电连接所述压控振荡器，依据所述振荡信号生成频率转换信号及反相转换信号，所述频率转换信号的相位与所述反相转换信号的相位相反；及充放电路，电连接所述正温度频率转换单元及所述非重叠信号产生器，依据所述正温度系数电流、所述频率转换信号及所述反相转换信号生成所述温度电压。从而，有效解决现有技术存在温度估算误差的问题。

Description

频率转换模块及温度传感器

技术领域

本发明涉及信号转换技术领域，具体涉及一种频率转换模块及温度传感器。

背景技术

在电控设备中，温度感测是常见的物理特征感测功能，譬如依据温度传感器输出信号进行相关控制功能。

现有技术存在一些方案，譬如，将温度转换为固定频率的信号，利用已知频率的参考时钟进行计数。

但是，由于待测频率信号与参考时钟属于完全异步信号，根据参考时钟频率和计数值估算温度时会产生较大误差。

发明内容

本发明提供一种频率转换模块及温度传感器，用于解决现有技术存在温度估算误差的问题。

为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种频率转换模块，包括：正温度频率转换单元，配置为生成大小与温度呈正相关的正温度系数电流；运算放大器，电连接所述正温度频率转换单元，所述运算放大器依据温度电压及参考电压生成运放信号；压控振荡器，电连接所述运算放大器，所述压控振荡器依据所述运放信号生成振荡信号；非重叠信号产生器，电连接所述压控振荡器，所述非重叠信号产生器依据所述振荡信号生成频率转换信号及反相转换信号，所述频率转换信号的相位与所述反相转换信号的相位相反；及充放电路，电连接所述正温度频率转换单元及所述非重叠信号产生器，所述充放电路配置为依据所述正温度系数电流、所述频率转换信号及所述反相转换信号生成所述温度电压。

在一实施例中，所述频率转换模块更包括：延迟单元，电连接所述非重叠信号产生器，响应于开始产生所述频率转换信号达预设时间或者所述频率转换信号的脉波的上升沿或下降沿计数达到阈值，所述延迟单元生成完备信号。

在一实施例中，所述频率转换模块还包括升压回路，所述升压回路配置为依据外部输入的始能信号及所述频率转换信号升高所述运放信号的电平。

在一实施例中，所述运算放大器的输出端电连接运放电容器，所述升压回路包括升压控制器及升压开关，所述升压开关电连接所述升压控制器、所述运放电容器及直流电源。

在一实施例中，所述升压控制器配置为依据所述始能信号控制所述升压开关导通，致使所述直流电源通过所述升压开关对所述运放电容器充电，并且所述升压控制器配置为响应于所述频率转换信号开始产生，控制所述升压开关断开，停止对所述运放电容器充电。

在一实施例中，当所述正温度系数电流随温度变化时，所述运算放大器生成的所述运放信号的电压变化，以使得所述运算放大器的输入端的所述温度电压稳定趋近所述参考电压。

在一实施例中，所述充放电路在所述频率转换信号有效时利用所述正温度系数电流进行充电并且在所述反相转换信号有效时利用所述正温度系数电流进行放电，以产生所述温度电压。

在一实施例中，所述充放电路包括第一电容器、第二电容器、第一开关及第二开关，所述第一电容器与所述第一开关串接于所述正温度频率转换单元与接地端之间，所述第二电容器电连接于所述正温度频率转换单元与接地端之间，所述第二开关与所述第一电容器并联连接于所述第一开关与接地端之间。

在一实施例中，所述频率转换信号有效以控制所述第一开关导通，通过所述正温度系数电流对所述第一电容器和所述第二电容器充电使得所述温度电压升高，所述反相转换信号有效以控制所述第二开关导通，所述第一电容器放电使得所述温度电压降低。

在一实施例中，所述频率转换信号的频率由所述正温度系数电流、所述参考电压和所述第一电容器的电容值决定。

在一实施例中，所述正温度频率转换单元配置为基于两个晶体管的基极与发射极的电压差值的正温度系数特性生成所述正温度系数电流。

为了解决上述问题，本发明的另一方面提供一种温度传感器，包括感温数据处理模块及如上所述的频率转换模块，所述频率转换模块电连接所述感温数据处理模块，所述感温数据处理模块依据所述频率转换信号生成温度值。

在一实施例中，所述频率转换模块生成频转完备信号以使能所述感温数据处理模块对所述频率转换信号进行处理。

在本发明的温度传感器中，所述频率转换模块通过前述电路设计，使用正温度系数的电流给电容充放电产生正温度系数的电压信号，作为具备振荡频率的频率转换信号，所述频率转换信号的振荡频率与温度的相关性高，而且不受电路速度的影响，且所述频率转换信号的振荡频率随电源电压变化较小，可以提高测量精度，有利于提升温度传感应用技术水平与质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的温度传感器的示意框图；

图2为本发明实施例的始计信号与终计信号的示意图；

图3为本发明实施例的计数时钟信号与计数采样信号的示意图；

图4为本发明实施例的一种频率转换模块的电路示意图；

图5为本发明实施例的一种具备正温度频率转换功能的电流生成电路的示意图；

图6为本发明实施例的另一种具备正温度频率转换功能的电流生成电路的示意图；及

图7为本发明实施例的另一种频率转换模块的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文的描述中，应被理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本文的描述中，应被理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提供许多不同的实施方式或示例用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开内容，下文中对特定示例的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同示例中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本文提供的各种特定的工艺和材料的示例，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在电控设备中，温度感测是常见的物理特征感测功能，譬如依据温度传感器输出信号进行相关控制功能。

在一实现方案中，本发明实施例提供一种感温数据处理模块，举例来说，所述感温数据处理模块可应用于温度传感器，用于提供基于温度的数据处理功能。应被理解的是，相关说明用于辅助本领域技术人员了解本发明，但非意图用于限制本发明。

在一示例中，如图1所示，温度传感器M包括感温数据处理模块MC，所述感温数据处理模块MC电连接频率转换模块MF，所述频率转换模块MF可依据一温度值(诸如取自环境温度或特定物件表面温度)生成频率转换信号Ftemp_o，例如所述频率转换信号Ftemp_o可为脉波形式信号，所述频率转换信号Ftemp_o的频率和所述温度值正相关，以作为所述温度传感器M输出温度数据的依据。

示例地，如图1及图2所示，所述感温数据处理模块MC包括二计数单元MC1、MC2及控算单元MP，所述计数单元MC1、MC2及控算单元MP可以是专用集成电路，譬如可以利用硬件描述语言(HDL)及自动化设计工具设计而成，所述计数单元MC1、MC2可被配置成能够在一特定采样期间对温度传感相关的计数时钟信号的上升沿和下降沿的数量分别计数，所述控算单元MP可被配置成能够依据计数结果应用特定函数生成温度传感相关数值。

举例来说，如图1及图2所示，每个所述计数单元MC1、MC2可被配置为依据控制信号ref_sel将参考时钟信号ref_clk及频率转换信号Ftemp_o中的一者设为计数时钟信号cnt_clk且另一者设为计数采样信号sig_cnt。譬如，所述控制信号ref_sel可由用户配置，用于指示所述参考时钟信号ref_clk及所述频率转换信号Ftemp_o中的一者可为所述计数时钟信号cnt_clk且另一者可为所述计数采样信号sig_cnt。

例如，如图1及图2所示，若所述控制信号ref_sel为高电平或逻辑“1”，则所述参考时钟信号ref_clk可为所述计数时钟信号cnt_clk，且所述频率转换信号Ftemp_o可为所述计数采样信号sig_cnt；若所述控制信号ref_sel为低电平或逻辑“0”，则所述参考时钟信号ref_clk可为所述计数采样信号sig_cnt，且所述频率转换信号Ftemp_o可为所述计数时钟信号cnt_clk；但不以此为限。

示例地，如图1及图2所示，所述计数时钟信号cnt_clk的频率高于所述计数采样信号sig_cnt的频率，在响应于所述计数采样信号sig_cnt的至少一信号周期组成的采样周期内，譬如所述采样周期以所述计数采样信号sig_cnt的两个信号周期为例，所述二计数单元MC1、MC2中的一者(譬如MC1)可被当成上升沿计数单元，用于计数所述计数时钟信号cnt_clk的上升沿的数量，所述上升沿意指在脉波信号(诸如时钟信号等)中的一种电平转换状态是从低电平状态转为高电平状态；所述二计数单元MC1、MC2中的另一者(譬如MC2)可被当成下降沿计数单元，用于计数所述计数时钟信号cnt_clk的下降沿的数量，所述下降沿意指在脉波信号中的另一种电平转换状态是从高电平状态转为低电平状态。

举例来说，如图1及图2所示，所述二计数单元MC1、MC2可以输入频率转换信号Ftemp_o及参考时钟信号ref_clk，所述参考时钟信号ref_clk譬如为信号生成电路所生成的时钟信号，所述频率转换信号Ftemp_o譬如由所述频率转换模块MF生成，所述频率转换信号Ftemp_o可搭配频转完备信号ana_rdy；当所述频转完备信号ana_rdy处于特定状态(譬如高电平或逻辑“1”，但不以此为限，也可为低电平或逻辑“0”)下，所述频转完备信号ana_rdy可用于指示所述频率转换信号Ftemp_o的当前状态为有效状态，譬如所述频转完备信号ana_rdy为高电平，所述二计数单元MC1、MC2可依据所述频率转换信号Ftemp_o进行计数相关功能，譬如每个所述计数单元MC1、MC2可依据所述控制信号ref_sel将所述参考时钟信号ref_clk及所述频率转换信号Ftemp_o中的一者设为所述计数时钟信号cnt_clk且另一者设为所述计数采样信号sig_cnt。

示例地，如图1及图2所示，所述二计数单元MC1、MC2还可以输入所述计数采样信号sig_cnt的信号周期的数量spt，所述信号周期的数量spt可依实际需求适当调整，在一示例中，所述计数采样信号sig_cnt的信号周期的数量可为1(0x01)至15(0x0F)中的一者，但不以此为限；在响应于所述计数采样信号sig_cnt的至少一信号周期(例如信号周期的数量为spt)组成的采样周期内，例如所述控算单元MP还可以生成采样有效信号(譬如为高电平，图未绘示)，作为辅助计算所述计数时钟信号的上升沿的数量的依据，但不以此为限；在图2中，所述计数采样信号sig_cnt的信号周期的数量以两个(即所述采样周期为计数采样信号sig_cnt的2个信号周期)为例，在所述采样周期内，所述二计数单元中的一者(如MC1)计数所述计数时钟信号cnt_clk的上升沿的数量，所述二计数单元中的另一者(如MC2)计数所述计数时钟信号cnt_clk的下降沿的数量。

举例来说，如图2所示，所述计数采样信号sig_cnt的采样周期在时间轴上具有开端及终止的时间点，用以分别表征采样周期的开始和结束，例如，所述计数采样信号sig_cnt的采样周期在时间轴上具有分别相应于计数时钟信号cnt_clk的上升沿和下降沿的2个开端特征，譬如，响应于在所述计数时钟信号cnt_clk上升沿第1次检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿(例如，响应于在所述计数时钟信号cnt_clk的相邻两个上升沿检测到所述计数采样信号sig_cnt先为低电平且后为高电平，则认为检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿)，所述控算单元MP可判定检测到所述采样周期的第一开端，相应地，还可生成一上升始计信号meas_start_p(譬如单一高电平脉波)作为相关电路工作依据；响应于在所述计数时钟信号cnt_clk下降沿第1次检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿(例如，响应于在所述计数时钟信号cnt_clk的相邻两个下降沿检测到所述计数采样信号sig_cnt先为低电平且后为高电平，则认为检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿)，所述控算单元MP可判定检测到所述采样周期的第二开端，相应地，还可生成一下降始计信号meas_start_n(譬如单一高电平脉波)作为相关电路工作依据。关于如何分别在计数时钟信号cnt_clk的上升沿/下降沿检测到计数采样信号sig_cnt的上升沿，除了前述在计数时钟信号cnt_clk的相邻周期的上升沿/下降沿去采样计数采样信号sig_cnt的电平以判断计数采样信号sig_cnt是否发生上升沿跳变以外，还可以采用其它判断计数采样信号sig_cnt是否发生上升沿跳变，本发明并不以此为限，但目的都是为了检测采样周期的2个开端。

另一方面，如图2所示，所述计数采样信号sig_cnt的采样周期在时间轴上更具有分别相应于计数时钟信号cnt_clk的上升沿和下降沿的2个终止特征，例如，在经过计数采样信号sig_cnt的N个信号周期后，所述采样周期终止，其中，N(譬如N＝2)为所述采样周期所包含的所述计数采样信号sig_cnt的所述信号周期的数量，譬如，响应于在所述计数时钟信号cnt_clk上升沿第(N+1)次检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿，所述控算单元MP可判定检测到所述采样周期的第一终止，相应地，还可生成一上升终计信号meas_end_p(譬如单一高电平脉波)作为相关电路工作依据；响应于在所述计数时钟信号cnt_clk下降沿第(N+1)次检测到所述计数采样信号sig_cnt的上升沿，所述控算单元MP可判定检测到所述采样周期的第二终止，相应地，还可生成一下降终计信号meas_end_n(譬如单一高电平脉波)作为相关电路工作依据。关于如何分别在计数时钟信号cnt_clk的上升沿/下降沿检测到计数采样信号sig_cnt的上升沿，如前所述，可以在计数时钟信号cnt_clk的相邻周期的上升沿/下降沿去采样计数采样信号sig_cnt的电平(例如先为低电平且后为高电平)以判断计数采样信号sig_cnt是否发生上升沿跳变，本发明并不以此为限，还可以采用其它判断计数采样信号sig_cnt是否发生上升沿跳变，但目的都是为了检测采样周期的2个终止，与前面采样周期的2个开端的检测不同的是，这里需要有计数判断逻辑(未示出)判断本次是第几次检测到计数采样信号sig_cnt的上升沿，如果是第(N+1)次，则认为检测采样周期的终止。

在一例中，如图2所示，响应于在所述计数时钟信号cnt_clk的相邻两个上升沿或相邻两个下降沿第(N+1)检测到所述计数采样信号sig_cnt先为低电平且后为高电平，所述控算单元MP判定检测到所述计数采样信号sig_cnt的第(N+1)上升沿，则判定采样周期分别发生第一终止和第二终止。

示例地，如图1及图2所示，所述二计数单元中的一者(如MC1)可依据所述上升始计信号meas_start_p开始计数所述计数时钟信号cnt_clk的上升沿的数量，及依据所述上升终计信号meas_end_p停止计数所述计数时钟信号cnt_clk的上升沿的数量；所述二计数单元中的另一者(如MC2)可依据所述下降始计信号meas_start_n开始计数所述计数时钟信号cnt_clk的下降沿的数量，及依据所述下降终计信号meas_end_n停止计数所述计数时钟信号cnt_clk的下降沿的数量。从而，可利用所述计数时钟信号cnt_clk的上升沿的数量与下降沿的数量作为估算温度的依据。

示例地，如图1及图2所示，所述控算单元MP可依据所述上升沿的数量及所述下降沿的数量的总和生成倍频计数值Y，譬如，可将所述上升沿的数量及所述下降沿的数量分别暂存再进行相加，在一示例中，响应于所述采样周期终止，所述控算单元MP可将所述倍频计数值Y归零，譬如，待分别接收到所述上升终计信号meas_end_p及所述下降终计信号meas_end_n，可将所述上升沿的暂存数量cnt_p及所述下降沿的暂存数量cnt_n分别设为零，使得所述上升沿的数量及所述下降沿的数量的总和为零，即所述倍频计数值Y归零。

相应地，如图1所示，所述控算单元MP还可依据所述倍频计数值Y及温度频率拟合函数MT生成温度值T，譬如，所述温度频率拟合函数是由多条温度频率转换关系曲线通过拟合生成的函数，所述函数譬如为线性或曲线函数，所述曲线拟合方法譬如为最小二乘曲线拟合法，但不以此为限。

举例来说，如图1所示，因应于所述频率转换信号Ftemp_o及所述参考时钟信号ref_clk的频率差异，所述温度频率转换关系曲线可表示为不同形式。

示例地，如图3上半部所示，响应于所述参考时钟信号ref_clk的频率高于(或等于)所述频率转换信号Ftemp_o的频率，所述温度频率拟合函数可表示如下：

其中，T为所述温度值，T0为参考温度，F1为所述参考时钟信号的频率，Y为所述倍频计数值，N为所述采样周期所包含的所述计数采样信号的所述信号周期的数量，U为频率单位转换系数，F0为在所述参考温度下的频率值，E为温度频率转换系数，譬如可在拟合过程中取得温度频率转换系数，详细内容是本领域技术人员可以理解，不另赘述。

替代地，如图3下半部所示，响应于所述参考时钟信号ref_clk的频率低于所述频率转换信号Ftemp_o的频率，所述温度频率拟合函数表示如下：

其中，T为所述温度值，T0为参考温度，F1为所述参考时钟信号的频率，Y为所述倍频计数值，N为所述采样周期所包含的所述计数采样信号的所述信号周期的数量，U为频率单位转换系数，F0为在所述参考温度下的频率值，E为温度频率转换系数。

在一方面，本发明上述实施例提供一种感温数据处理模块，包括：二计数单元，每个所述计数单元依据控制信号将参考时钟信号及频率转换信号中的一者设为计数时钟信号且另一者设为计数采样信号，在响应于所述计数采样信号的至少一信号周期组成的采样周期内，所述二计数单元中的一者计数所述计数时钟信号的上升沿的数量，所述二计数单元中的另一者计数所述计数时钟信号的下降沿的数量；及控算单元，依据所述上升沿的数量及所述下降沿的数量的总和生成倍频计数值，依据所述倍频计数值及温度频率拟合函数生成温度值。从而，通过对同一信号频率(计数采样信号)的上升沿及下降沿进行计数，相当于将计数时钟信号的频率提高了一倍，计数时钟信号的频率越高，采样误差越小，计数测量值误差越小，可以适用于处理与温度呈正相关的频率转换信号，用于生成温度传感数值，可以减少计数误差。

可选地，在一实施例中，所述温度频率拟合函数是由多条温度频率转换关系曲线通过拟合生成的函数。从而，通过将多条温度频率转换关系曲线通过拟合生成的函数，可以找出优化的温度频率转换关系函数，作为输出温度传感数值的依据，可以辅助减少计数误差。

另一方面，本发明上述实施例提供一种温度传感器，包括频率转换模块及如上所述的感温数据处理模块，所述感温数据处理模块电连接所述频率转换模块，所述频率转换模块生成所述频率转换信号。从而，可以利用所述频率转换信号作为生成温度值的依据，由于对同一信号频率(计数采样信号)的上升沿和下降沿同时计数，相当于将计数时钟信号的频率提高了一倍，减少了采样误差，并且由于是仅对同一个信号进行计数，避免对不同信号进行计数的情况，从而减少了计数测量值误差并提高测量精度。

可选地，在一实施例中，所述频率转换信号的频率和所述温度值正相关。从而，通过所述频率转换信号的频率和所述温度值正相关，呈现与温度相应的直观频率特征作为后续估算温度的基础，由于对同一信号频率(计数采样信号)的上升沿和下降沿同时计数，相当于将计数时钟信号的频率提高了一倍，减少了采样误差，并且由于是仅对同一个信号进行计数，可以避免对不同信号进行计数的情况，从而可以减少计数误差及提高测量精度。

应被注意的是，本发明上述实施例提供所述感温数据处理模块，使用二计数单元分别对同一信号频率(如来自计数时钟信号)的上升沿及下降沿进行计数，依据所述上升沿的数量及所述下降沿的数量的总和生成温度值。对比地，在一相关示例中，譬如，使用二计数单元对来自两个相同压频转换电路的正温度系数电压频率和带隙基准电压频率进行计数，由于待测频率信号(正温度系数电压频率)与参考频率信号(带隙基准电压频率)属于完全异步信号，根据参考频率信号和待测频率信号的计数值计算温度时会产生较大误差。本发明上述实施例的感温数据处理模块对同一个频率转换信号(例如计数采样信号)的上升沿及下降沿分别进行计数，避免对不同信号进行计数的情况，可以达到减少计数误差及提高测量精度等有益效果。

在另一实现方案中，本发明实施例提供一种频率转换模块，举例来说，所述频率转换模块可应用于温度传感器，用于提供基于温度的频率转换功能。应被理解的是，相关说明用于辅助本领域技术人员了解本发明，但非意图用于限制本发明。

在一例中，如图1所示，温度传感器M包括频率转换模块MF，所述频率转换模块MF电连接感温数据处理模块MC，譬如，在转换使能信号tsen为使能状态(譬如高电平或低电平)下，所述频率转换模块MF可输出一频率转换信号Ftemp_o，所述感温数据处理模块MC可依据所述频率转换信号Ftemp_o生成温度值T，作为所述温度传感器M输出温度数据的依据。

示例地，如图4所示，所述频率转换模块MF包括正温度频率转换单元(IPTAT)U1、运算放大器(EA)U2、压控振荡器(VCO)U3、非重叠信号产生器(NOLP)U4及充放电路U5。所述正温度频率转换单元U1可配置为生成大小与温度呈正相关的正温度系数电流Iptat。

如图4所示，所述运算放大器U2电连接所述正温度频率转换单元U1，所述运算放大器U2可用于依据温度电压Vtemp及参考电压VREF生成运放信号V1；所述压控振荡器U3电连接所述运算放大器U2，所述压控振荡器可用于依据所述运放信号V1生成振荡信号V2；所述非重叠信号产生器U4电连接所述压控振荡器U3，所述非重叠信号产生器U4可用于依据所述振荡信号V2生成频率转换信号Ftemp及反相转换信号Ftemp’，所述频率转换信号Ftemp的相位与所述反相转换信号Ftemp’的相位相反，所述频率转换信号Ftemp可被当成所述频率转换模块MF输出所述频率转换信号Ftemp_o的依据，譬如输出所述频率转换信号Ftemp_o的终端与生成所述频率转换信号Ftemp的节点之间可以直接电连接，但不以此为限，譬如，输出所述频率转换信号Ftemp_o的终端与生成所述频率转换信号Ftemp的节点之间还可设置有波形重整模块，譬如D型正反器(D Flip-Flop)等，使得所述频率转换信号Ftemp的波形可被重新强化以形成所述频率转换信号Ftemp_o；所述充放电路U5电连接所述正温度频率转换单元U1及所述非重叠信号产生器U4，所述充放电路U5可配置为依据所述正温度系数电流Iptat、所述频率转换信号Ftemp及所述反相转换信号Ftemp’生成所述温度电压Vtemp。

所述频率转换模块的实施方式举例说明如下，但不以此为限。举例来说，如图4所示，所述正温度频率转换单元U1可以是电流生成电路，所述电流生成电路的输出电流与温度呈正相关；示例地，所述正温度频率转换单元U1配置为基于两个晶体管的基极与发射极的电压差值△VBE的正温度系数特性生成所述正温度系数电流Iptat，例如，两个晶体管的基极与发射极的电压差值△VBE与绝对温度成正比，即温度系数和温度或晶体管集电极电流的特性无关。正温度频率转换单元U1的输出电流Iptat与绝对温度成正比(proportionalto absolute temperature，PTAT)，譬如采用带隙电路或其关联功能电路，但不以此为限。

示例地，如图5所示，一种正温度频率转换单元U1譬如包括两个第一晶体管(譬如PNP型BJT晶体管)Q₁、Q₂、电阻器R₁、运放单元OP及三个第二晶体管(譬如P型MOS晶体管)M_a、M_b、M_c。应被理解的是，所述诸多晶体管皆为三端开关管，譬如具有控制端、输入端及输出端，具体连接方式是本领域技术人员可以理解，不另赘述。

举例来说，如图5所示，在所述电流生成电路中，所述第一晶体管Q₁、Q₂的控制端及输出端接地，所述第一晶体管Q₁的输入端连接所述运放单元OP的反向端(-)及所述第二晶体管M_a的输出端，所述第一晶体管Q₂的输入端经由所述电阻器R₁连接所述运放单元OP的非反向端(+)及所述第二晶体管M_b的输出端，所述运放单元OP的输出端连接所述第二晶体管M_a、M_b、M_c的控制端，所述第二晶体管M_a、M_b、M_c的输入端连接正电源V_DD。其中，所述第二晶体管M_a、M_b的输出端可以提供偏置电流给所述第一晶体管Q₁、Q₂，应被理解的是，流经所述第一晶体管Q₁与Q₂的电流相等，在实际应用上，可以分别使用单个特定晶体管作为所述第一晶体管Q₁与Q₂，但不以此为限，也可以将所述第一晶体管Q₁及Q₂分别视为包括A个第一BJT及nA个第二BJT并联而成的晶体管模块(譬如组成所述第一晶体管Q₁的单个第一BJT的电流是组成所述第一晶体管Q₂的单个第二BJT的电流的n倍)，所述第二晶体管M_c的输出端可以提供所述正温度系数电流Iptat。

应被理解的是，如图5所示，正温度频率转换单元U1可以利用所述第一晶体管Q₁、Q₂的基极与发射极之间的电压差ΔVBE的正温度系数特性与所述电阻器R₁来生成正温度系数电流Iptat，譬如，R₁×Iptat＝Vbe1-Vbe2＝V_T×ln×n，其中VT为正温度系数热电压，ln为自然对数，n为两个第一晶体管Q₁、Q₂的PNP配置形成的倍数，Vbe1、Vbe2为两个第一晶体管Q₁、Q₂的基极与发射极之间的电压差，V_T为两个第一晶体管Q₁、Q₂的热电压，使得Iptat＝(V_T×ln×n)/R₁，从而，正温度频率转换单元U1输出的电流Iptat就是一个基于正温度系数的电流。

替代地，为了简化元件类型，还可将图5中的所述第二晶体管M_a、M_b及所述运放单元OP替换为四个MOS晶体管。

举例来说，如图6所示，另一种正温度频率转换单元U1譬如包括两个第一晶体管(譬如PNP型BJT晶体管)Q₁、Q₂、电阻器R₁及两个第二晶体管(譬如N型MOS晶体管)M₁、M₂及三个第三晶体管(譬如P型MOS晶体管)M₃、M₄、M₅，所述第一晶体管Q₁、Q₂的控制端及输出端接地，所述第一晶体管Q₁的输入端连接所述第二晶体管M₁的输出端，所述第二晶体管M₁的输入端连接所述第二晶体管M₁、M₂的控制端及所述第三晶体管M₃的输出端，所述第二晶体管M₂的输出端经由所述电阻器R₁连接所述第一晶体管Q₂的输入端，所述第二晶体管M₂的输入端连接所述第三晶体管M₄的输出端及所述第三晶体管M₃、M₄、M₅的控制端，所述第三晶体管M₃、M₄、M₅的输入端连接正电源V_DD。其中，所述第二晶体管M₁、M₂的输出端可以提供偏置电流给所述第一晶体管Q₁、Q₂，如前所述，流经所述第一晶体管Q₁与Q₂的电流相等，所述第一晶体管Q₁及Q₂可以视为分别包括A个第一BJT及nA个第二BJT并联而成的晶体管模块(譬如组成所述第一晶体管Q₁的单个第一BJT的电流是组成所述第一晶体管Q₂的单个第二BJT的电流的n倍)，所述第三晶体管M₅的输出端可以提供所述正温度系数电流Iptat。

应被理解的是，如图6所示，假设节点X与Y的电压相等，流经第一晶体管Q₁的电流、流经第一晶体管Q₂的电流及流经第三晶体管M₅的电流(即所述正温度系数电流Iptat)等于(V_T×ln×n)/R₁。

示例地，如图4所示，所述运算放大器U2可包括运算放大功能电路，所述运算放大器U2的输出端可设置运放电容器CL，用于充入所述运算放大器U2输出的运放信号V1。所述压控振荡器U3可包括电压控制的振荡电路，用于根据所述运放信号V1生成所述振荡信号V2，使得所述振荡信号V2的频率与所述运放信号V1的幅度呈正相关。所述非重叠信号产生器U4可包括非重叠信号发生器，用于依据所述振荡信号V2生成所述频率转换信号Ftemp及所述反相转换信号Ftemp’，以便后续进行控制或输出信号。

示例地，如图4所示，所述充放电路U5包括第一电容器Cs、第二电容器C、第一开关S1及第二开关S2，所述第一电容器Cs与所述第一开关S1串接于所述正温度频率转换单元U1与接地端之间，所述第二电容器C电连接于所述正温度频率转换单元U1与接地端之间，所述第二开关S2与所述第一电容器Cs并联连接于所述第一开关S1与接地端之间。

举例来说，如图4所示，所述频率转换信号Ftemp有效(active)以控制所述第一开关S1导通，同时所述第二开关S2断开，通过所述正温度系数电流Iptat对所述第一电容器Cs和所述第二电容器C充电，使得所述温度电压Vtemp升高，所述反相转换信号Ftemp’有效以控制所述第二开关S2导通，同时所述第一开关S1断开，所述第一电容器Cs放电，但是，此时，所述第二电容器C继续充电，使得Vtemp继续升高，直至下一个时刻第一开关S1再次导通，同时第二开关S2再次断开，在第一开关S1导通、第二开关S2断开的瞬时，由于第一电容器Cs上没有电荷会和第二电容器C进行电荷重分配，Vtemp电压会有一个降低(drop)情况,后续Vtemp会再由于第一电容器Cs和第二电容器C充电而继续升高。值得注意的是，在其它实施例中，充放电路U5可以更包括另一组开关(譬如可以类似第一开关及第二开关的配置，图未绘示)，此组开关和开关S1和S2可以一起交替控制电容器Cs和C进行充放电。

示例地，如图4所示，所述频率转换信号Ftemp_o的频率由所述正温度系数电流Iptat、所述参考电压和所述第一电容器Cs的电容值决定，譬如，所述频率转换信号Ftemp_o的频率＝所述频率转换信号Ftemp的频率＝正温度系数电流Iptat的电流值/(参考电压VREF的电压值×第一电容器Cs的电容值)。

应被注意的是，如图4所示，当所述正温度系数电流Iptat随温度变化时，所述运算放大器U2生成的所述运放信号V1的电压变化，以使得所述运算放大器U2的一输入端(如非反向端，“+”)的所述温度电压Vtemp趋近所述运算放大器U2的另一输入端(如反向端，“-“)所述参考电压VREF。其中，当所述正温度系数电流Iptat变化时，亦即，所述充放电路U5的充电电流变化，基于系统的负反馈特性，会使得所述温度电压Vtemp动态保持在所述参考电压VREF附近，即所述温度电压Vtemp稳定趋近于参考电压VREF，通过上述闭环控制则所述充放电路U5的开关的控制频率(即频率转换信号Ftemp_o的频率)相应改变。

应被注意的是，如图4所示，所述运算放大器U2、所述压控振荡器U3、所述非重叠信号产生器U4及所述充放电路U5连接形成闭环，若温度变化引起正温度系数电流Iptat变化从而造成所述运算放大器U2输入的温度电压Vtemp与参考电压VREF之间具有差值，则此差值将通过闭环被反馈到随后形成的趋于稳定的温度电压Vtemp，通过闭环逐步锁定温度电压的过程，使得所述频率转换模块MF的电路整体最终趋于稳定，频率转换信号Ftemp_o的频率会随着温度变化而变化并趋于稳定。

举例来说，如图4所示，基于频率锁定环的工作原理，通过所述正温度系数电流Iptat对所述充放电路U5的第一电容器Cs进行充放电，当电路整体最终达到稳定时，所述温度电压Vtemp会根据所述频率转换信号Ftemp和所述反相转换信号Ftemp’的控制，使得所述温度电压Vtemp在所述参考电压VREF附近趋于稳定(第二电容器C起到稳压的作用)，如果对所述充放电路U5充放电的电流(如Iptat)随温度变化而仍要保持所述温度电压Vtemp稳定在所述参考电压VREF，则所述压控振荡器产生的所述频率转换信号Ftemp的频率就会相应变化，因此，使得所述频率转换信号Ftemp_o的频率随温度变化。

附加地，在一实施例中，如图4所示，所述频率转换模块MF还包括延迟单元(DLY)U6，所述延迟单元U6电连接所述非重叠信号产生器U4，譬如，响应于开始产生所述频率转换信号Ftemp达预设时间(譬如100毫秒，ms)或者所述频率转换信号Ftemp的脉波的上升沿或下降沿计数达到阈值(譬如100至500)，所述延迟单元U6生成完备信号Ftemp_rdy，譬如高电平或逻辑“1”，但不以此为限，也可为低电平或逻辑“0”。

应被理解的是，如图1及图4所示，所述延迟单元U6的完备信号Ftemp_rdy可用于作为所述频率转换模块MF输出的频转完备信号ana_rdy，用于指示所述频率转换信号Ftemp_o的当前状态为有效状态。示例地，所述频率转换模块MF生成所述频转完备信号ana_rdy，以使能(enable)所述感温数据处理模块MC对所述频率转换信号Ftemp_o进行处理。

附加地，在一实施例中，如图4所示，所述频率转换模块MF还包括启动单元(SU)U0，在转换使能信号tsen为使能状态(譬如高电平或低电平)下，所述启动单元U0可配置为生成驱动信号，例如，所述启动单元U0包括启动晶体管(譬如P型MOS晶体管)，所述启动晶体管的输出端(譬如漏极)可以输出辅助驱动信号给正温度频率转换单元U1(如图5或图6所示)中的P型MOS晶体管的控制端(譬如栅极)。应被理解的是，所述正温度频率转换单元在正常工作下可输出电流，为了确保电路初始工作正常，所述启动单元还可输出辅助驱动信号，待系统持续正常工作后，所述启动单元即可停止工作。

附加地，在一实施例中，与图6中的电路相较，在图7中的所述频率转换模块MF还包括升压回路PC，所述升压回路PC配置为依据外部输入的始能信号(如图4中的tsen)及所述频率转换信号Ftemp升高所述运放信号V1的电平，譬如，所述运算放大器U2的输出端电连接运放电容器CL，所述升压回路PC包括升压控制器(CTR)U7及升压开关S3，所述升压开关S3电连接所述升压控制器U7、所述运放电容器CL及直流电源VD。

示例地，如图7所示，所述升压控制器U7配置为依据所述始能信号tsen控制所述升压开关S3导通，致使所述直流电源VD通过所述升压开关S3对所述运放电容器CL充电，并且所述升压控制器U7配置为响应于所述频率转换信号Ftemp开始产生，譬如响应于侦测到所述频率转换信号Ftemp的第1个上升沿或下降沿，控制所述升压开关S3断开，停止对所述运放电容器CL充电。

在一方面，本发明上述实施例提供一种频率转换模块，包括：正温度频率转换单元，配置为生成大小与温度呈正相关的正温度系数电流；运算放大器，电连接所述正温度频率转换单元，所述运算放大器依据温度电压及参考电压生成运放信号；压控振荡器，电连接所述运算放大器，所述压控振荡器依据所述运放信号生成振荡信号；非重叠信号产生器，电连接所述压控振荡器，所述非重叠信号产生器依据所述振荡信号生成频率转换信号及反相转换信号，所述频率转换信号的相位与所述反相转换信号的相位相反；及充放电路，电连接所述正温度频率转换单元及所述非重叠信号产生器，所述充放电路配置为依据所述正温度系数电流、所述频率转换信号及所述反相转换信号生成所述温度电压。从而，通过本实施的频率转换模块的前述电路设计，频率转换信号的振荡频率与温度的相关性高，而且不受电路速度的影响，且频率转换信号的振荡频率随电源电压变化较小，可以提高测量精度。

另一方面，本发明上述实施例提供一种温度传感器，包括感温数据处理模块及如上所述的频率转换模块，所述频率转换模块电连接所述感温数据处理模块，所述感温数据处理模块依据所述频率转换信号生成温度值。从而，依据所述频率转换信号生成温度值，所述温度值与单一信号的频率计数结果相关，可以减少计数误差及提高测量精度。

可选地，在一实施例中，所述频率转换模块生成频转完备信号以使能所述感温数据处理模块对所述频率转换信号进行处理。从而，通过使能所述感温数据处理模块对所述频率转换信号进行处理，依据所述频率转换信号生成温度值，可以避免对不同信号进行计数的信号异步情况，可以减少计数误差及提高测量精度。

应被注意的是，本发明上述实施例提供所述频率转换模块，使用正温度系数的电流给电容充放电产生正温度系数的电压信号。对比地，在一相关示例中，譬如，利用带隙基准模块产生一个带隙基准电压和一个正温度系数电压，然后用两个相同的压频转换电路分别将正温度系数电压与带隙基准电压转化为正温度系数电压频率和带隙基准电压频率，最后通过两个计数器计数，当第二计数器计满之后通过反馈信号使得第一计数器停止计数，通过获得正温度系数电压与带隙基准电压比值来获得温度值大小，在这种示例中，由于待测频率信号(正温度系数电压频率)与参考频率信号(带隙基准电压频率)属于完全异步信号，根据参考频率信号和待测频率信号的计数值计算温度时会产生较大误差。本发明上述实施例的频率转换模块对电容充放电产生正温度系数的电压信号，避免使用带隙基准模块的信号异步情况，可以达到简化电路构造、减少计数误差及提高测量精度等有益效果。

在本文中，仅以上述内容举例说明本发明实施例的感温数据处理模块及频率转换模块应用于实现温度传感器的实施方式，以使阅读者能够理解本发明，但不以此为限。

综上所述，本发明实施例的温度传感器包括感温数据处理模块及频率转换模块，在一实施例中，所述频率转换模块使用正温度系数的电流给电容充放电产生正温度系数的电压信号，振荡频率与温度相关性高，而且不受电路速度的影响，振荡频率随电源电压变化较小；在另一实施例中，所述感温数据处理模块使用二计数单元分别对同一信号频率(如来自计数时钟信号)的上升沿及下降沿进行计数，依据所述上升沿的数量及所述下降沿的数量的总和生成温度值。从而，可以避免频率转换信号和参考时钟信号的信号异步产生计数误差情况，并且由于对同一信号频率(计数采样信号)的上升沿和下降沿同时计数，相当于将计数时钟信号的频率提高了一倍，计数时钟信号的频率越高，采样误差越小，计数测量值误差越小，因此可以达到减少计数误差及提高测量精度等有益效果，本发明可以改善现有技术根据参考时钟频率和计数值计算温度时会产生较大误差等技术问题，有利于提升温度传感应用技术水平与质量。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本发明实施例进行详细介绍，本文中应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种频率转换模块，其特征在于，包括：

正温度频率转换单元，配置为生成大小与温度呈正相关的正温度系数电流；

运算放大器，电连接所述正温度频率转换单元，所述运算放大器依据温度电压及参考电压生成运放信号；

压控振荡器，电连接所述运算放大器，所述压控振荡器依据所述运放信号生成振荡信号；

非重叠信号产生器，电连接所述压控振荡器，所述非重叠信号产生器依据所述振荡信号生成频率转换信号及反相转换信号，所述频率转换信号的相位与所述反相转换信号的相位相反；及

充放电路，电连接所述正温度频率转换单元及所述非重叠信号产生器，所述充放电路配置为依据所述正温度系数电流、所述频率转换信号及所述反相转换信号生成所述温度电压。

2.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，更包括：

延迟单元，电连接所述非重叠信号产生器，响应于开始产生所述频率转换信号达预设时间或者所述频率转换信号的脉波的上升沿或下降沿计数达到阈值，所述延迟单元生成完备信号。

3.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，所述频率转换模块还包括升压回路，所述升压回路配置为依据外部输入的始能信号及所述频率转换信号升高所述运放信号的电平。

4.如权利要求3所述的频率转换模块，其特征在于，所述运算放大器的输出端电连接运放电容器，所述升压回路包括升压控制器及升压开关，所述升压开关电连接所述升压控制器、所述运放电容器及直流电源。

5.如权利要求4所述的频率转换模块，其特征在于，所述升压控制器配置为依据所述始能信号控制所述升压开关导通，致使所述直流电源通过所述升压开关对所述运放电容器充电，并且所述升压控制器配置为响应于所述频率转换信号开始产生，控制所述升压开关断开，停止对所述运放电容器充电。

6.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，当所述正温度系数电流随温度变化时，所述运算放大器生成的所述运放信号的电压变化，以使得所述运算放大器的输入端的所述温度电压稳定趋近所述参考电压。

7.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，所述充放电路在所述频率转换信号有效时利用所述正温度系数电流进行充电并且在所述反相转换信号有效时利用所述正温度系数电流进行放电，以产生所述温度电压。

8.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，所述充放电路包括第一电容器、第二电容器、第一开关及第二开关，所述第一电容器与所述第一开关串接于所述正温度频率转换单元与接地端之间，所述第二电容器电连接于所述正温度频率转换单元与接地端之间，所述第二开关与所述第一电容器并联连接于所述第一开关与接地端之间。

9.如权利要求8所述的频率转换模块，其特征在于，所述频率转换信号有效以控制所述第一开关导通，通过所述正温度系数电流对所述第一电容器和所述第二电容器充电使得所述温度电压升高，所述反相转换信号有效以控制所述第二开关导通，所述第一电容器放电使得所述温度电压降低。

10.如权利要求8所述的频率转换模块，其特征在于，所述频率转换信号的频率由所述正温度系数电流、所述参考电压和所述第一电容器的电容值决定。

11.如权利要求1所述的频率转换模块，其特征在于，所述正温度频率转换单元配置为基于两个晶体管的基极与发射极的电压差值的正温度系数特性生成所述正温度系数电流。

12.一种温度传感器，其特征在于，包括感温数据处理模块及如权利要求1至11任一项所述的频率转换模块，所述频率转换模块电连接所述感温数据处理模块，所述感温数据处理模块依据所述频率转换信号生成温度值。

13.如权利要求12所述的温度传感器，其特征在于，所述频率转换模块生成频转完备信号以使能所述感温数据处理模块对所述频率转换信号进行处理。