TWI445936B - 支持單點校正之溫度感測系統 - Google Patents

Description

支持單點校正之溫度感測系統

本發明係與一種溫度感測系統有關，特別係與一種支持單點校正之時域智慧型溫度感測系統有關。

傳統上，溫度感測器係將待測溫度轉換成電壓或電流訊號，再以類比至數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)轉成數位輸出，其通常需要使用元件數量相當高的類比至數位轉換器，以達到較佳的精度與解析度。

然而，大量的元件不但會增加電路設計的複雜度，往往也需要相當大的晶片面積與功率消耗。再者，隨著製程微縮化(Scaling Down)，操作電壓越來越低，導致類比至數位轉換器越來越難設計，致使此類溫度感測器的製造便越趨困難。

據此，中華民國專利第I294029號提出了時域(Time-Domain)智慧型溫度感測器，其將待測溫度轉成脈衝訊號，且脈衝之寬度隨溫度改變，再透過時間至數位轉換器轉成數位輸出。由於其之架構簡單，因此可有效降低晶片面積與功耗，亦可修改成全數位電路、甚至利用現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)來加以實現。

惟，由於製程上的變異，每一個溫度感測器之數位輸出皆不盡相同，因此在使用前需要經過一校準的程序。一般時域智慧型溫度感測器利用兩點校正，所謂的兩點校正便是在兩個不同校正溫度下量測出兩個對應之輸出值，再根據該二輸出值計算出一條線性逼近線。因此，每一個溫度感測器所測得之數位輸出值還需套用本身之線性逼近線，方能換算出真正之溫度。基於上述原因，習知使用兩點校正的溫度感測器需要在兩個不同溫度下執行校正，不但校正成本接近單點校正的兩倍，且須較多之記憶體來儲存校正資料，而對其之市場競爭力造成不利的影響。

雖然，最近有文獻IEEE ISSCC Dig.,Feb. 2009,pp. 68-69提出可以支援單點校正之時域智慧型溫度感測器，但是其卻需要複雜之雙延遲鎖定迴路(Dual Delay-Locked Loop)，不但會使得晶片所佔的面積變大且使其精度變差。

有鑑於此，目前有必要針對現有技術進行改良，以克服習知技術之缺點。

本發明之目的在於提供一種可支持單點校正之溫度感測系統，其具有一校準電路可進行單點校正，而校正後之結果可儲存於晶片內或晶片外，進而可簡單地解決習知兩點校正的問題。

為達成上述之目的，本發明提供一種支持單點校正之溫度感測系統，其包括一溫敏脈衝產生器、一時間至數位轉換器及一校準電路。該溫敏脈衝產生器係用於產生一遮罩脈衝訊號，該遮罩脈衝訊號之遮罩寬度會隨著溫度變化而改變，且該溫敏脈衝產生器可根據一校準參數來調整該遮罩寬度。該時間至數位轉換器係電性連接於該溫敏脈衝產生器，以接收該遮罩脈衝訊號並將該遮罩寬度轉換為一輸出數位值。該校準電路係電性連接於該溫敏脈衝產生器及該時間至數位轉換器，該校準電路係用來在某一校準溫度底下，將該數位值與一預定校準數值進行比較，並根據比較結果來產生提供給該溫敏脈衝產生器之該校準參數。

在一較佳實施例中，該校準電路包括一比較器及一循序逼近暫存器。該比較器係用於比較該輸出數位值與該預定校準數值之大小，並產生該比較結果。該循序逼近暫存器係電性連接於該比較器及該溫敏脈衝產生器，該循序逼近暫存器會接收該比較結果以產生該校準參數。具體而言，當該輸出數位值大於該預定校準數值時，則循序逼近暫存器會減少該校準參數之數值。據此，該校準參數將被提供給該溫敏脈衝產生器以減少該遮罩寬度。同樣地，當該輸出數位值小於該預定校準數值，則循序逼近暫存器會增加該校準參數之數值。據此，該校準參數將被提供給該溫敏脈衝產生器以增加該遮罩寬度。

在此較佳實施例中，該溫敏脈衝產生器包括一數位脈衝產生器及一可重複觸發環形震盪器。該數位脈衝產生器係用於接收一啟始步階訊號並載入該校準參數。該可重複觸發環形震盪器係電性連接於該數位脈衝產生器，其係用以產生一震盪脈波，該震盪脈波的週期會隨著溫度變化而改變。舉例而言，該啟始步階訊號會觸發該可重複觸發環形震盪器以產生該震盪脈波，且該數位脈衝產生器會根據該校準參數計數該震盪脈波的週期數。同時，該啟始步階訊號觸發該數位脈衝產生器開始產生遮罩脈衝訊號，且該遮罩寬度等於該震盪脈波的週期乘上計數的週期數。

在一實施態樣中，該數位脈衝產生器包括一可程式下數計數器，係用於接收該震盪脈波，並可重複載入該校準參數並將該校準參數向下計數至零。在另一實施態樣中，該數位脈衝產生器包括一上數計數器，其係用於接收該震盪脈波，並從零向上計數至該校準參數。

在此較佳實施例中，該可重複觸發環形震盪器包括一延遲線及一反及閘。該延遲線係用以將輸入端的訊號延遲至一延遲時間，該延遲時間隨溫度的變化而改變。該反及閘之第一輸入端電性連接於該延遲線，第二輸入端電性連接於該數位脈衝產生器以接收該遮罩脈衝訊號，輸出端電性連接於該延遲線之輸入端，用以於該遮罩脈衝訊號為高準位時產生一脈波，並回授至該延遲線之輸入端，藉以循環輸出該震盪脈波。

值得注意的是，該校準參數係為一正整數，且該震盪脈波的週期數等於該校準參數。此外，該校準參數儲存於該溫度感測系統所在之晶片內，或是儲存於該溫度感測系統所在之晶片外之非揮發性記憶體中。

依據本發明的支持單點校正之溫度感測系統，其在單一校準溫度下，可以透過校準電路進行校正而得出校準參數，以使得溫敏脈衝產生器可以根據校準參數，而輸出對應溫度的遮罩脈衝訊號，然後時間至數位轉換器可透過校準後之該遮罩寬度而轉換出一定的輸出數位值，藉此克服了採用習知校正方式之溫度感測器的缺點。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下將配合附圖來詳細說明本發明的支持單點校正之溫度感測系統的之詳細組成及運作原理。請參照第1圖，第1圖繪示本發明的較佳實施例之溫度感測系統的電路功能方塊圖。該溫度感測系統100包括一溫敏脈衝產生器200、一時間至數位轉換器(Time-to-Digital Converter,TDC)300及一校準電路400。需注意的是，該校準電路400可設置於該溫敏脈衝產生器200及時間至數位轉換器300所在之晶片內，亦可設置於晶片外，因此係以虛線表示之。

請一同參照第2圖，第2圖繪示此較佳實施例之溫度感測系統產生之訊號時序圖。該溫敏脈衝產生器200係用於產生一遮罩脈衝訊號T_MASK ，該遮罩脈衝訊號T_MASK 之遮罩寬度202會隨著溫度變化而改變，且該溫敏脈衝產生器200可根據一校準參數N來調整該遮罩寬度202。

請再參照第1圖，時間至數位轉換器300係電性連接於該溫敏脈衝產生器200，以接收該遮罩脈衝訊號T_MASK ，並將該遮罩寬度202轉換為一輸出數位值Dout。該校準電路400係電性連接於該溫敏脈衝產生器200及該時間至數位轉換器300。該校準電路400係用於在某一校正溫度底下，將該輸出數位值Dout與一預定校準數值Dout0進行比較，並根據比較結果來產生給提供該溫敏脈衝產生器200之該校準參數N。以下將詳細說明該溫度感測系統之運作原理。

請參照第3圖，第3圖繪示第1圖之詳細電路方塊圖。在此較佳實施例中，該溫敏脈衝產生器200包括一數位脈衝產生器220及一可重複觸發環形震盪器240。該數位脈衝產生器220係用於接收一啟始步階訊號START(如第2圖所示)並載入該校準參數N。該可重複觸發環形震盪器240係電性連接於該數位脈衝產生器220，以產生一震盪脈波Tosc(如第2圖所示)，該震盪脈波Tosc的週期會隨著溫度變化而改變。

請再參照第3圖，在此較佳實施例中，該時間至數位轉換器300可包括一及閘(AND Gate)320及一輸出計數器340。該及閘320之第一輸入端電連接於該溫敏脈衝產生器200，即接收遮罩脈衝訊號T_MASK ，該及閘320之第二輸入端接收一參考脈鐘CLK。該輸出計數器340會根據及閘320之輸出端計數該遮罩寬度202佔據幾個時脈，並將該計數之輸出數位值Dout輸出。據此，根據輸出數位值Dout的大小就可判別溫度高低。然而，本發明之時間至數位轉換器並不限於以此種方式來實施。

以下將詳細說明溫敏脈衝產生器200之運作原理。請參照第4圖，第4圖繪示此一較佳實施例之數位脈衝產生器的電路方塊圖。該數位脈衝產生器220具有一可程式下數計數器(Programmable Down Counter)221、一反或閘(NOR Gate)222、一突波消除器223、一D型正反器224及一及閘225。該可程式下數計數器221用於接收該震盪脈波Tosc，並可重複載入該校準參數N並向下計數該校準參數N至零。

具體而言，該啟始步階訊號START訊號接至可程式下數計數器221的載入(Load)端。在尚未啟動轉換之前，啟始步階訊號START為0，此時可將校準參數N載入可程式下數計數器221內。待啟始步階訊號START轉態為1後，便啟動可程式下數計數器221開始向下計數。直到計數值變成0時(如第2圖所示)，後續的反或閘222便會將1送到突波消除器223的資料端，接著等震盪脈波Tosc的下一個下降緣到位，突波消除器223的輸出端便會由0轉態為1，並觸發D型正反器224將其反向輸出端的轉換結束訊號(End Of Conversion)EOC設定回0。此時遮罩脈衝訊號T_MASK 也會跟著轉態回0，以停止時間至數位轉換器300之輸出計數器340的計數動作。

請參照第5圖，第5圖繪示另一較佳實施例之數位脈衝產生器之電路方塊圖。在另一實施樣態中，該數位脈衝產生器220包括一上數計數器226、一比較器227及一及閘228。該上數計數器226係用於接收該震盪脈波Tosc，並從零向上計數至該校準參數N。具體而言，在尚未啟動轉換之前，啟始步階訊號START訊號為0，將上數計數器226之計數器值清除(透過clr端)為0，待啟始步階訊號START轉態為1後，便啟動上數計數器226開始向上計數，直到計數值與校準參數N相等時，後續比較器227的輸出會轉態為0，迫使及閘228輸出的遮罩脈衝訊號T_MASK 回落為0，並結束轉換。

請參照第6圖，第6圖繪示此較佳實施例之可重複觸發環形震盪器之電路方塊圖。該可重複觸發環形震盪器240包括一延遲線242及一反及閘(NAND Gate)244。該延遲線242係用以將輸入端的訊號延遲一延遲時間，該延遲時間係隨溫度的變化而改變。該反及閘244之第一輸入端係電性連接於該延遲線242，第二輸入端(亦為一致能(Enable)端)電性連接於該數位脈衝產生器220，以接收該遮罩脈衝訊號Tosc，輸出端電性係連接於該延遲線242之輸入端，以於該遮罩脈衝訊號T_MASK 為高準位1時，產生一脈波，並回授至該延遲線242之輸入端，藉以循環輸出該震盪脈波Tosc。

此外，如第2圖所示，遮罩脈衝訊號T_MASK 變回0後，會同時抑制該可重複觸發環形震盪器240的振盪，因此可進一步降低本發明之溫度感測系統的功耗。總而言之，該啟始步階訊號START會觸發該可重複觸發環形震盪器240，以產生該震盪脈波Tosc，且該數位脈衝產生器220會根據該校準參數N計數該震盪脈波Tosc的週期數。同時，該啟始步階訊號START會觸發該數位脈衝產生器220，而開始產生遮罩脈衝訊號T_MASK ，且該遮罩寬度202係等於該震盪脈波Tosc的週期乘上所計數的週期數。

以下將詳細說明該校準電路之運作原理。在此較佳實施例中，該校準電路400包括一比較器420及一循序逼近暫存器(Successive Approximation Register,SAR)440。該比較器420係用於將該輸出數位值Dout與該預定校準數值Dout0之大小進行比較，並產生該比較結果。該循序逼近暫存器440係電性連接於該比較器420及該溫敏脈衝產生器200。該循序逼近暫存器440會接收該比較結果以產生該校準參數N。

具體而言，在某一校準溫度下(即所謂單點校準)，當該輸出數位值Dout大於該預定校準數值Dout0，則循序逼近暫存器440會減少該校準參數N之數值，並據此將該校準參數N提供給該溫敏脈衝產生器200，以減少該遮罩寬度202。同樣地，在某一校準溫度下，當該輸出數位值Dout小於該預定校準數值Dout0，則循序逼近暫存器440會增加該校準參數N之數值，並據此將該校準參數N提供給該溫敏脈衝產生器200以增加該遮罩寬度202。值得一提的是，該校準參數N係為一正整數，且該震盪脈波Tosc的週期數係等於該校準參數。

上述循序逼近暫存器440係以類似於數值方法中的「二分逼近法」來進行逼近，以尋找校準參數N。假如預定校準數值Dout0之數值係分佈在16位元(即65536個)之中，則循序逼近暫存器440僅需執行16次之逼近，即可找出最佳的校準參數N，並進而完成了此顆晶片(即本實施例的溫度感測系統)之校準。此外，該校準參數N可儲存於該溫度感測系統100所在之晶片內，或是儲存於該溫度感測系統100所在之晶片外之非揮發性記憶體中。同樣地，該校準電路400在校準完成後便不會再度使用，因此該校準電路400也可被設置在晶片外，以節省成本。

綜上所述，在單一校準溫度下，透過校準電路可以讓本發明之支持單點校正的溫度感測系統之數位輸出趨於一定值，並可將該校準參數N設置於晶片內或晶片外的非揮發性記憶體內，便可完成校準程序。而後在任何待測溫度下，搭配參考脈鐘便可將所產生之遮罩寬度轉成數位輸出，其架構極為精簡，不但面積小、功耗低，且可以將電路全數位化。值得一提的是，本發明之支持單點校正之溫度感測系統在0～100℃的測量範圍下誤差僅有-0.7℃～+0.6℃，且測量功耗只需1μW甚至更低，轉換速度則高達4.4kHz，效能遠優於習知時域智慧型溫度感測器。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．溫度感測系統

200．．．溫敏脈衝產生器

202．．．遮罩寬度

220．．．數位脈衝產生器

221．．．可程式下數計數器

222．．．反或閘

223．．．突波消除器

224．．．D型正反器

225．．．及閘

226．．．上數計數器

227．．．比較器

228．．．及閘

240．．．可重複觸發環形震盪器

242．．．延遲線

244．．．反及閘

300．．．時間至數位轉換器

320．．．及閘

340．．．輸出計數器

400．．．校準電路

420．．．比較器

440．．．循序逼近暫存器

Dout．．．輸出數位值

Dout0．．．預定校準數值

T_MASK ．．．遮罩脈衝訊號

Tosc．．．震盪脈波

START．．．啟始步階訊號

EOC．．．轉換結束訊號

N．．．校準參數

Enable．．．致能端

CLK．．．參考脈鐘

第1圖繪示本發明較佳實施例之溫度感測系統之電路功能方塊圖。

第2圖繪示此較佳實施例之溫度感測系統產生之訊號時序圖。

第3圖繪示第1圖之詳細電路方塊圖。

第4圖繪示此一較佳實施例之數位脈衝產生器之電路方塊圖。

第5圖繪示另一較佳實施例之數位脈衝產生器之電路方塊圖。

第6圖繪示此較佳實施例之可重複觸發環形震盪器之電路方塊圖。

100．．．溫度感測系統

200．．．溫敏脈衝產生器

300．．．時間至數位轉換器

400．．．校準電路

Dout．．．輸出數位值

Dout0．．．預定校準數值

T_MASK ．．．遮罩脈衝訊號

START．．．啟始步階訊號

N．．．校準參數

CLK．．．參考脈鐘

Claims (9)

1. 一種支持單點校正之溫度感測系統，包括：一溫敏脈衝產生器，其係用於產生一遮罩脈衝訊號，該遮罩脈衝訊號之遮罩寬度會隨著溫度變化而改變，且該溫敏脈衝產生器可根據一校準參數來調整該遮罩寬度；一時間至數位轉換器，其係電性連接於該溫敏脈衝產生器，以接收該遮罩脈衝訊號並將該遮罩寬度轉換為一輸出數位值；以及一校準電路，其係電性連接於該溫敏脈衝產生器及該時間至數位轉換器，該校準電路係用於在一溫度底下，將該輸出數位值與一預定校準數值進行比較，並根據比較結果來產生提供給該溫敏脈衝產生器之該校準參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之溫度感測系統，其中該校準電路包括：一比較器，其係用於將該輸出數位值與該預定校準數值之大小進行比較，並產生該比較結果；以及一循序逼近暫存器，其係電性連接於該比較器及該溫敏脈衝產生器，該循序逼近暫存器會接收該比較結果以產生該校準參數。
3. 如申請專利範圍第2項所述之溫度感測系統，其中當該輸出數位值大於該預定校準數值時，則循序逼近暫存器會減少該校準參數之數值，且該校準參數提供給該溫敏脈衝產生器以減少該 遮罩寬度。
4. 如申請專利範圍第2項所述之溫度感測系統，其中當該輸出數位值小於該預定校準數值時，則循序逼近暫存器會增加該校準參數之數值，且該校準參數提供給該溫敏脈衝產生器以增加該遮罩寬度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之溫度感測系統，其中該溫敏脈衝產生器包括：一數位脈衝產生器，其係用於接收一啟始步階訊號並載入該校準參數；以及一可重複觸發環形震盪器，其係電性連接於該數位脈衝產生器，用以產生一震盪脈波，該震盪脈波的週期會隨著溫度變化而改變。
6. 如申請專利範圍第5項所述之溫度感測系統，其中該啟始步階訊號會觸發該可重複觸發環形震盪器，以產生該震盪脈波，且該數位脈衝產生器會根據該校準參數計數該震盪脈波的週期數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之溫度感測系統，其中該啟始步階訊號會同時觸發該數位脈衝產生器，以開始產生遮罩脈衝訊號，且該遮罩寬度係等於該震盪脈波的週期乘上所計數的週期數。
8. 如申請專利範圍第5項所述之溫度感測系統，其中該數位脈衝產生器包括一可程式下數計數器，其係用於接收該震盪脈波， 並可重複載入該校準參數並將該校準參數向下計數至零。
9. 如申請專利範圍第5項所述之溫度感測系統，其中該可重複觸發環形震盪器包括：一延遲線，其係用以將一輸入端的訊號延遲一延遲時間，該延遲時間會隨溫度的變化而改變；以及一反及閘，其之一第一輸入端電性連接於該延遲線，其之一第二輸入端係電性連接於該數位脈衝產生器，以接收該遮罩脈衝訊號，其之一輸出端係電性連接於該延遲線之輸入端，用以於該遮罩脈衝訊號為高準位時產生一脈波，並回授至該延遲線之該輸入端，藉以循環輸出該震盪脈波。