RU2790093C1

RU2790093C1 - Digital temperature sensor based on microcontroller rc-adc

Info

Publication number: RU2790093C1
Application number: RU2022129452A
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Вострухин; Елена Артуровна Вахтина; Игорь Николаевич Воротников; Иван Александрович Болдырев
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-02-14

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to measuring technology, in particular to analog-to-digital converters (ADC), and can be used in digital sensors and sensor systems for measuring the temperature and voltage of analog signals. A digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC contains a microcontroller 1, a reference voltage source (RVS) 2, a resistor 3, a capacitor 4, a current source 5 and a semiconductor diode 6. Resistor 3 and capacitor 4 are connected by their first pins to the first input of an analog comparator (AC) built into the microcontroller 1. The output of the RVS is connected to the second output of the resistor 3. The output of the current source 5 and the anode of the diode 6 are connected to the second input of the analog multiplexer (AM) built into the microcontroller 1. The first output of the analog signal source (ASS) is connected to the first AM input. The second output of the capacitor 4, the second output of the ASS and the cathode of the diode 6 are connected to a common power bus.

EFFECT: expansion of functionality.

1 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и может быть использовано в цифровых сенсорах и сенсорных системах для измерения температуры и напряжения аналоговых сигналов.The invention relates to measuring technology, in particular to analog-to-digital converters (ADC) and can be used in digital sensors and sensor systems for measuring the temperature and voltage of analog signals.

Уровень техникиState of the art

Известен АЦП, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй и третий резисторы, первые выводы которых подключены к первому входу, встроенному в микроконтроллер аналоговому компаратору (АК). Второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания, вторые выводы третьего резистора и конденсатора подключен к минусу источника питания, первый резистор выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к порту микроконтроллера, второй вход АК подключен к источнику входного напряжения (см. пат. РФ № 2298872, кл. H 03 M1/38).Known ADC, containing: a microcontroller, a capacitor, the first, second and third resistors, the first outputs of which are connected to the first input built into the microcontroller analog comparator (AC). The second output of the second resistor is connected to the plus of the power supply, the second outputs of the third resistor and the capacitor are connected to the minus of the power supply, the first resistor is controlled and its control input is connected to the microcontroller port, the second input of the AC is connected to the input voltage source (see US Pat. RF No. 2298872, class H 03 M1/38).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразования.The disadvantage of the known solution is the low conversion accuracy.

Известен микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем, первые выводы конденсатора и первого резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, второй вывод первого резистора подключен к первому дискретному выходу микроконтроллера, первые выводы второго и третьего резисторов подключены ко второму входу АК, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены, соответственно ко второму и третьему дискретным выходам микроконтроллера, второй вывод конденсатора подключен к четвертому дискретному выходу микроконтроллера, первый вывод четвертого резистора подключен к источнику аналогового сигнала (ИАС), второй вывод четвертого резистора подключен ко второму выводу третьего резистора (см. пат. РФ № 2523208, кл. H03M 1/38).A microcontroller ADC is known using a transient process in an RC circuit, containing: a microcontroller, a capacitor, the first, second, third and fourth resistors, moreover, the first terminals of the capacitor and the first resistor are connected to the first input of the AK built into the microcontroller, the second terminal of the first resistor is connected to to the first discrete output of the microcontroller, the first outputs of the second and third resistors are connected to the second input of AC, the second outputs of the second and third resistors are connected to the second and third discrete outputs of the microcontroller, respectively, the second output of the capacitor is connected to the fourth discrete output of the microcontroller, the first output of the fourth resistor is connected to analog signal source (IAS), the second output of the fourth resistor is connected to the second output of the third resistor (see US Pat. RF No. 2523208, class H03M 1/38).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная отсутствием источника опорного напряжения (ИОН). Известно, что точность АЦП зависит от точности ИОН (Под ред. Уолта Кестера. Аналого-цифровое преобразование. Москва: Техносфера, 2007. - 1006 с. ISBN 978 -5-94836-146-8).The disadvantage of the known solution is the low conversion accuracy due to the lack of a reference voltage source (ION). It is known that the accuracy of the ADC depends on the accuracy of the ION (Edited by Walt Kester. Analog-to-digital conversion. Moscow: Technosphere, 2007. - 1006 p. ISBN 978 -5-94836-146-8).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, ИОН, причем, первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, первый вывод ИАС подключен к общей шине питания, второй вывод ИАС подключен к второму входу АК микроконтроллера, к выходу ИОН подключен второй вывод резистора (см. пат. РФ № 2726292, кл. H03M 1/82).The closest in technical essence to the claimed technical solution and adopted by the authors as a prototype is a microcontroller ADC using a transient process in an RC circuit, containing: a microcontroller, a capacitor, a resistor, an ION, moreover, the first terminals of the capacitor and resistor are connected to the first input of the built-in microcontroller AK, the first output of the IAS is connected to a common power bus, the second output of the IAS is connected to the second input of the AK of the microcontroller, the second output of the resistor is connected to the output of the ION (see Pat. RF No. 2726292, class H03M 1/82).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, а именно - отсутствует функция измерения температуры, что ограничивает область применения микроконтроллерного RC-АЦП, например, для построения цифровых сенсоров и беспроводных сенсорных систем, также отсутствует возможность повышения точности преобразования путем температурной коррекции преобразовательной характеристики микроконтроллерного RC-АЦП.The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited, namely, there is no temperature measurement function, which limits the scope of the microcontroller RC ADC, for example, for building digital sensors and wireless sensor systems, and there is also no possibility of improving the conversion accuracy by temperature correction of the conversion characteristics of the microcontroller RC ADC.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства.The technical result that can be achieved with the proposed invention is to expand the functionality of the device.

Технический результат достигается тем, что в цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, ИОН, первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер АК, второй вывод резистора подключен к выходу ИОН, первый вывод ИАС подключен к общей шине питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник тока и полупроводниковый диод, причем второй вывод ИАС подключен к первому входу аналогового мультиплексора (АМ), встроенного в микроконтроллер, анод полупроводникового диода и выход источника тока подключены к второму входу АМ, встроенному в микроконтроллер, катод полупроводникового диода подключен к общей шине питания.The technical result is achieved by the fact that in a digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC containing: a microcontroller, a capacitor, a resistor, an ION, the first terminals of the capacitor and resistor are connected to the first input of the AK built into the microcontroller, the second terminal of the resistor is connected to the output of the ION, the first terminal The IAS is connected to a common power bus, characterized in that a current source and a semiconductor diode are additionally introduced into it, and the second output of the IAS is connected to the first input of the analog multiplexer (AM) built into the microcontroller, the anode of the semiconductor diode and the output of the current source are connected to the second input AM built into the microcontroller, the cathode of the semiconductor diode is connected to a common power bus.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. представлена структурная схема цифрового сенсора температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП. In FIG. a block diagram of a digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC is presented.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП содержит: (фиг.) микроконтроллер 1, ИОН 2, резистор 3, конденсатор 4, источник тока 5 и полупроводниковый диод 6. Резистор 3 и конденсатор 4 первыми выводами подключены к первому входу АК, встроенного в микроконтроллер 1, (на фиг. АК не показан), выход ИОН подключен к второму выводу резистора 3, второй вывод конденсатора 4 подключен к общей шине питания, выход источника тока 5 и анод диода 6 подключены к первому входу АМ, встроенного в микроконтроллер 1 (на фиг. АМ не показан), первый вывод ИАС подключен к первому входу АМ, второй вывод ИАС и катод диода 6 подключены к общей шине питания.A digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC contains: (Fig.) microcontroller 1, ION 2, resistor 3, capacitor 4, current source 5 and semiconductor diode 6. microcontroller 1 (not shown in Fig. AK), the output of ION is connected to the second output of resistor 3, the second output of capacitor 4 is connected to a common power bus, the output of current source 5 and the anode of diode 6 are connected to the first input of AM built into microcontroller 1 ( in Fig. AM is not shown), the first output of the IAS is connected to the first input of the AM, the second output of the IAS and the cathode of the diode 6 are connected to a common power bus.

Цифровой сенсор температуры на основе микроконтроллерного RC-АЦП работает в двух режимах следующим образом.A digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC operates in two modes as follows.

Первый режим (преобразование входного напряжения в двоичный код). The first mode (converting the input voltage to a binary code).

Микроконтроллер 1 подключает первый вход АМ к второму входу АК. В начале каждого цикла преобразования микроконтроллер 1 настраивает вывод, к которому подключен первый вход АК на выход и выводит логический ноль (лог.0). Конденсатор 4 разряжается на внутреннюю общую шину микроконтроллера 1 (внутренняя общая шина микроконтроллера 1 на фиг. не показана). Микроконтроллер 1 удерживает лог.0 на данном выводе некоторое время, необходимое для полного разряда конденсатора 4. Затем микроконтроллер 1, переводит этот вывод в высокоомное состояние и запускает внутренний двоичный счетчик тактовых импульсов. Конденсатор 4 начинает заряжаться от ИОН. Как только напряжение Uc на конденсаторе 4 превысит напряжение ИАС, действующего на втором входе АК, последний изменит на своем выходе логический уровень. По этому событию микроконтроллер 1 считывает двоичный код счетчика тактовых импульсов. Двоичный код пропорционален времени t заряда конденсатора 4. Микроконтроллер 1 определяет Uc, используя известное выражение: Uc = Uref ⋅ (1 ⋅ е^-t/τ), где τ = RC - постоянная времени RC-цепи (известна); Uref - значение напряжения ИОН (известно). Microcontroller 1 connects the first input AM to the second input AK. At the beginning of each conversion cycle, the microcontroller 1 sets the output to which the first AC input is connected to the output and outputs a logical zero (log.0). The capacitor 4 is discharged to the internal common bus of the microcontroller 1 (the internal common bus of the microcontroller 1 is not shown in Fig.). Microcontroller 1 holds log.0 on this pin for some time, necessary for the full discharge of capacitor 4. Then microcontroller 1 puts this pin in a high-resistance state and starts the internal binary clock pulse counter. Capacitor 4 starts charging from ION. As soon as the voltage Uc on the capacitor 4 exceeds the voltage of the IAS operating at the second input of the AC, the latter will change the logic level at its output. On this event, the microcontroller 1 reads the binary code of the clock pulse counter. The binary code is proportional to the time t of charging the capacitor 4. The microcontroller 1 determines Uc using the well-known expression: Uc = Uref ⋅ (1 ⋅ e ^-t/τ ), where τ = RC is the time constant of the RC circuit (known); Uref - ION voltage value (known).

На этом цикл преобразования напряжения ИАС закончен. Результат преобразования микроконтроллер 1 в форме двоичного кода может сохранять в памяти или передавать в измерительные цифровые системы более высокого уровня, используя стандартные интерфейсы.This completes the IAS voltage conversion cycle. The microcontroller 1 can store the result of the conversion in the form of a binary code in memory or transfer it to higher-level measuring digital systems using standard interfaces.

Затем микроконтроллер 1 переходит к измерению температуры. Известно, что при прямом включении полупроводникового диода, при фиксированном значении тока, протекающего через диод, на диоде формируется прямое напряжение (Uпр). Значение Uпр пропорционально зависит от температуры диода, а, следовательно, может использоваться для измерения температуры среды, в которой находится диод. Таким образом, измерение температуры сводится к измерению напряжения, падающего на диоде, с последующим переводом напряжения в градусы по известным методам.The microcontroller 1 then proceeds to measure the temperature. It is known that when a semiconductor diode is directly switched on, at a fixed value of the current flowing through the diode, a forward voltage (Upr) is formed on the diode. The Upr value proportionally depends on the diode temperature, and, therefore, can be used to measure the temperature of the medium in which the diode is located. Thus, temperature measurement is reduced to measuring the voltage drop across the diode, followed by converting the voltage into degrees using well-known methods.

Преобразование напряжения Uпр, падающего на диоде 6 при протекании через диод 6 фиксированного тока от источника тока 5, микроконтроллер 1 осуществляет аналогично преобразованию входного напряжения ИАС. Разница заключается только в том, что микроконтроллер 1 подключает второй вход АМ к второму входу АК и осуществляет сравнение напряжения Uc на конденсаторе 4 с напряжением Uпр, падающим на диоде 6.The microcontroller 1 performs the conversion of the voltage Upr, which falls on the diode 6 when a fixed current flows through the diode 6 from the current source 5, similarly to the conversion of the input voltage of the IAS. The only difference is that the microcontroller 1 connects the second input AM to the second input AK and compares the voltage Uc on the capacitor 4 with the voltage Upr falling on the diode 6.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет преимущество - расширены функциональные возможности устройства, а именно - реализована функция измерения температуры диода, а, следовательно, и среды, в которой находится полупроводниковый диод. Таким образом, данное микроконтроллерное устройство может быть использовано в качестве цифрового сенсора температуры и в качестве аналого-цифрового преобразователя, что расширяет область его применения.The present invention in comparison with the prototype has the advantage - the functionality of the device is expanded, namely, the function of measuring the temperature of the diode, and, consequently, the environment in which the semiconductor diode is located, is implemented. Thus, this microcontroller device can be used as a digital temperature sensor and as an analog-to-digital converter, which expands its scope.

Claims

A digital temperature sensor based on a microcontroller RC-ADC contains: a microcontroller, a capacitor, a resistor, a reference voltage source (REF), the first outputs of the capacitor and resistor are connected to the first input of the analog comparator built into the microcontroller, the second output of the resistor is connected to the output of the REF, the first output of the source the analog signal is connected to a common power bus, characterized in that a current source and a semiconductor diode are additionally introduced into it, and the second output of the analog signal source is connected to the first input of the analog multiplexer built into the microcontroller, the anode of the semiconductor diode and the output of the current source are connected to the second input analog multiplexer built into the microcontroller, the cathode of the semiconductor diode is connected to a common power bus.