TWI654410B - 具有整合數位溫度濾波器之數位溫度感測器 - Google Patents

Abstract

一種整合溫度感測器裝置，其具有：一溫度感測器，其經組態以提供對應於一周圍溫度之一類比信號；一類比轉數位轉換器，其接收該類比信號；及一可程式化數位濾波器，其經耦合至該類比轉數位轉換器。

Description

具有整合數位溫度濾波器之數位溫度感測器 相關申請案之交叉參考

此申請案主張2013年12月27日申請之美國臨時專利申請案第61/921,167號之優先權，該案以引用的方式全部併入本文中，正如在本文中充分陳述般。

本發明係關於數位溫度感測器裝置，特定言之係關於一種具有整合數位溫度濾波器之數位溫度感測器。

存在多種整合半導體溫度感測器。此等感測器可用於具有小數目之引腳之外殼且可提供一類比介面或一數位介面。類比溫度感測器通常輸出與量測溫度成比例的一電壓，而數位溫度感測器提供一數位介面，該數位介面經設計以將溫度值編碼成一數位值並(例如)使用一串列介面將此等值提供至一處理器。為保持引腳之數目較小，此等數位溫度感測器常常使用一單線介面。然而，其他裝置可使用具有一個以上線之介面。儘管此等數位溫度感測器係方便的且可用於許多應用中，然某些應用可另外需要溫度值之後處理。因此，存在對經改良數位溫度感測器之一需要。

根據一實施例，一整合溫度感測器裝置可包括：一溫度感測 器，其經組態以提供對應於一周圍溫度之一類比信號；一類比轉數位轉換器，其接收類比信號；及一可程式化數位濾波器，其耦合至類比轉數位轉換器。

根據一進一步實施例，溫度感測器可包括一感測器元件；及與感測器元件耦合之一感測器調節電路。根據一進一步實施例，感測器元件可係一半導體二極體。根據一進一步實施例，整合溫度感測器裝置可進一步包括一第一暫存器，該第一暫存器與類比轉數位轉換器耦合以儲存類比轉數位轉換器之輸出。根據一進一步實施例，整合溫度感測器裝置可進一步包括一第二暫存器，該第二暫存器與數位濾波器耦合以儲存經濾波溫度值。根據一進一步實施例，整合溫度感測器裝置可進一步包括一控制暫存器，該控制暫存器與數位濾波器耦合以儲存該可程式化數位濾波器之濾波器係數。根據一進一步實施例，控制暫存器可經組態以停用數位濾波器。根據一進一步實施例，控制暫存器可經設定為0以停用數位濾波器。根據一進一步實施例，控制暫存器可選擇複數個預定義濾波器係數之一者。根據一進一步實施例，類比轉數位轉換器可為可操作以提供約每秒200次轉換之一高速類比轉數位轉換器。根據一進一步實施例，整合溫度感測器裝置可進一步包括一串列介面，該串列介面可係選自由SPI、I²C，或一單線串列介面組成之群組。

根據另一實施例，一種用於操作一整合溫度感測器裝置之方法包括以下步驟：藉由一類比轉數位轉換器將由感測器元件提供之一類比值轉換成一數位溫度值，將數位值儲存在一相關聯溫度暫存器中，將數位溫度值饋送至一數位濾波器，及將一經濾波溫度值儲存在一相關聯經濾波溫度暫存器中。

根據該方法之一進一步實施例，感測器元件為一半導體二極體。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括將一控制值 儲存在一控制暫存器中，該控制暫存器與數位濾波器耦合以選擇一濾波器係數。根據該方法之一進一步實施例，控制暫存器經組態以在相關聯控制值為0時停用數位濾波器。根據該方法之一進一步實施例，將控制值儲存在該控制暫存器之複數個位元中。根據該方法之一進一步實施例，控制暫存器選擇複數個預定義濾波器係數之一者。根據該方法之一進一步實施例，可藉由一微處理器或微控制器經由整合溫度感測器裝置之一串列介面讀取溫度暫存器及/或經濾波溫度暫存器。根據該方法之一進一步實施例，自由SPI、I²C，或一單線串列介面組成之群組選擇串列介面。根據該方法之一進一步實施例，類比轉數位轉換器為可操作以提供約每秒200次轉換之一高速類比轉數位轉換器。

100‧‧‧溫度感測器

110‧‧‧固有感測器/感測器二極體

120‧‧‧感測器調節電路

130‧‧‧類比轉數位轉換器

140‧‧‧使用者可程式化暫存器/溫度暫存器

142‧‧‧周圍溫度資料暫存器

144‧‧‧組態/控制暫存器/濾波器係數資料暫存器

146‧‧‧經濾波溫度暫存器

150‧‧‧數位濾波器區塊

160‧‧‧控制單元

170‧‧‧數位串列介面

180‧‧‧微處理器或微控制器

圖1展示根據各種實施例之一方塊圖；圖2展示描繪各種濾波器係數之傳遞函數之一曲線圖。

根據各種實施例，一數位溫度感測器可包括一數位濾波器特徵，該特徵使一使用者能夠控制溫度感測器靈敏度。根據各種實施例，可實施多種此等濾波器。最低濾波器設定使使用者能夠偵測快速熱瞬態，且最高濾波器設定減小感測器靈敏度，輸出溫度之逐漸改變。溫度感測器可係可組態的，例如，包括可透過裝置之一串列介面組態之一組態暫存器。

根據各種實施例，此一低功率及數位溫度感測器對於一高解析度溫度資料可以比習知裝置更快之速度輸出溫度資料，例如，以5毫秒間隔(通常)，或每秒200次之速度輸出溫度資料。此速率比一習知溫度感測器之速度快大約25倍。歸因於此高速度轉換速率，裝置在溫度轉換模式中花費較少時間，此在其結合低功率或關閉模式使用時節 省總體操作電力。然而，歸因於快速溫度轉換，可自應用偵測快速熱瞬態且裝置可能輸出錯誤溫度警報。解決方法係實施具有使使用者調整濾波器係數或濾波器強度之選項之一整合數位濾波器。

通常，若應用需要一數位濾波器，則使用一微控制器來處理溫度資料並對溫度資料進行濾波。根據各種實施例，微控制器消耗顯著高於溫度感測器之操作電流或電力。因此，此整合特徵消除一微控制器之相關聯處理要求，並使根據各種實施例之數位溫度感測器對極低功率應用而言係理想的。

根據一些實施例，如圖1中所示之根據各種實施例之一溫度感測器100可具有若干功能區塊：固有感測器110及一相關聯調節電路120、一類比轉數位轉換器130，及使用者可程式化暫存器140。在此實例中，可使用一二極體110來量測溫度，且使用感測器調節電路120來加偏壓於感測器二極體110並將二極體電壓按比例調整至量測位準。然而，根據其他實施例，可使用其他類型之感測器及(若需要)調節電路。基本上溫度感測器提供可容易轉換成一溫度值之一類比信號，諸如一電壓或一電流。類比值可與溫度成比例或可具有一已知線性或非線性關係。例如，可在感測器裝置內使用儲存於記憶體中之表格來擷取對應於類比值之一溫度值。

使用類比轉數位轉換器130來將周圍溫度資料轉換為數位格式。數位溫度資料於使用者周圍溫度資料暫存器142中可供使用者使用。溫度感測器可經設計以可透過暫存器140組態。例如，可使用不同操作模式，諸如一請求模式或一自動傳輸模式，在該請求模式中，僅在請求之後傳輸值，在該自動傳輸模式中，以預定間隔自動傳輸溫度值。可實施之又一操作模式將可自溫度感測器裝置讀取新資料之一通知信號提供至微控制器或處理器。根據又一模式，一旦已偵測到一預定義差量溫度值，則將發生新溫度值之自動傳輸，或在與通知模式組 合時，可藉由溫度感測器裝置發出超過一預定義差量或絕對溫度值之一新溫度之一通知。可實施其他操作模式。根據一些實施例，可如上文所述般實施多個操作模式，其中一使用者可能可程式化地選擇複數個操作模式之一者。

根據各種實施例，提供一數位濾波器區塊150，其中使周圍溫度數位資料傳遞通過數位濾波器150之濾波器引擎。可藉由使用者使用濾波器係數資料暫存器144來調整濾波器係數或濾波器強度。接著，經濾波資料可用於經濾波溫度暫存器146中。

此一配置容許極低功率熱管理。根據各種實施例之感測器100對溫度資料進行濾波以防止錯誤警報，且比一習知裝置快約25倍，其中其短的操作時間節省電力。

一典型微控制器任務包含藉由平均化多個讀數調節溫度資料以減少錯誤溫度警報，此使微控制器消耗電力(比感測器所消耗的多得多)。快速轉換時間增大對量測系統熱雜訊之靈敏度。具有使用者可程式化濾波器強度之增加之數位濾波器150容許裝置管理溫度感測器內之熱資料，因此微控制器不需要喚醒來執行此任務。

表格1展示根據各種實施例之待用於如圖1中所示之一溫度感測器100中之一數位濾波器之一實例。

因此，將儲存在(例如)控制暫存器之位元6-4中的控制暫存器144中的值(如表格1中所示)用作為一索引以選擇複數個預定義濾波器係數之一者。可根據各種實施例而使用其他位元，且上文提及之特定位元僅係一實例。因此，一使用者僅需儲存一選擇號碼來啟動一特定濾波器功能。若索引等於0，則接著整個濾波器將被停用。然而，其他實施例可使用一不同組態程序。例如，濾波器可具有複數個變化參數，且一使用者可將此等參數直接程式化至各種暫存器中。儘管此選項提供一使用者對濾波器之更大控制，然而其亦將涉及一更複雜設定程式。可實施一個以上類型之濾波器或其他額外功能，且一使用者可具有選擇複數個濾波器或後處理常式之一者的機會。例如，根據各種實施例之一數位溫度感測器裝置可具有額外平均化常式及儲存可選或預定義平均數之相關聯暫存器。可實施計算一平均或幾何平均值及任選其他統計值的各種平均化常式。

在此實施例中，濾波器係一無限脈衝回應低通濾波器。根據一實施例，可提供八個不同濾波器係數設定。一控制暫存器144之三個位元可提供如上文解釋之此等選項。然而，根據其他實施例可提供更多或更少選項。此外，控制暫存器可具有可用於諸如如上文論述之操作模式之其他組態的更多位元。如圖2中可見，若濾波器係數被設定為0，則無濾波器功能將被應用。因此，此設定可用作為一停用功能。其餘七個設定自一最小橫跨至一最大濾波器功能。

數位溫度感測器100可進一步具有用於執行濾波器功能之控制邏輯160，且亦可包含用於與一外部微處理器或微控制器180通信之(例如)一數位串列介面170。串列介面170可容許至所有暫存器140之存取以設定功能性(例如，數位濾波器功能)，並自至少一或多個溫度暫存 器140、146讀取溫度資料。串列介面可係任何類型之串列介面，諸如一串列周邊介面(SPI)、一I²C介面，或尤其任何類型之單線介面，諸如UNI/O、1-WIRE等。亦可使用能夠在單通信線上供應電力以進一步減小外部引腳數目的串列介面。可如上文所論述般組態其他功能。

如圖1中所示，量測之溫度可儲存在一分離暫存器142中，且經濾波溫度值可儲存在另一暫存器146中。可呈現用於控制類比轉數位轉換器(例如，速度及解析度)之進一步控制暫存器。

通常，習知數位感測器之溫度轉換速率對於一高解析度資料裝置係約每秒4至8次。在此緩慢轉換時間期間，裝置消耗連續電流，且若藉由一微控制器實施一數位濾波器，則控制器可量測小部分感測器轉換時間或電力內之溫度資料並對該溫度資料進行濾波。因此，使用緩慢轉換時間感測器實施一整合數位濾波器不存在很大優勢。但使用根據各種實施例之一溫度感測器之一快速轉換時間節省功率，且濾波器特徵部藉由卸載控制器需要之資料處理而節省功率。

圖2展示取決於各種設定之無限脈衝回應(IIR)低通濾波器。可如下般處理一經濾波溫度：T _{A_FLT} =a．T _A +(1-a)．T _{A_PRV} 方程式1

可將此方程式1簡化為：T _{A_FLT} =a．T _A -T _{A_PRV} ．a+T _{A_PRV} 方程式2

其中a=1/2ⁿ且n為一使用者可選濾波器係數。

Claims (16)

1. 一種整合溫度感測器裝置，其包括：一溫度感測器，其經組態以提供對應於一周圍溫度之一類比信號；一類比轉數位轉換器，其接收該類比信號；一可程式化之數位濾波器，其經耦合至該類比轉數位轉換器；一第一暫存器，其與該類比轉數位轉換器耦合以儲存該類比轉數位轉換器之輸出；一第二暫存器，其與該可程式化之數位濾波器耦合以儲存經濾波溫度值；及一串列介面，其與一控制單元耦合，其中該控制單元經組態以存取該第一及該第二暫存器。
2. 如請求項1之整合溫度感測器裝置，其中該溫度感測器包括：一感測器元件；及一感測器調節電路，其係與該感測器元件耦合。
3. 如請求項2之整合溫度感測器裝置，其中該感測器元件係一半導體二極體。
4. 如請求項1之整合溫度感測器裝置，進一步包括一控制暫存器，該控制暫存器係與該控制單元及該可程式化之數位濾波器耦合以儲存該可程式化之數位濾波器之濾波器係數。
5. 如請求項4之整合溫度感測器裝置，其中該控制暫存器經組態以停用該可程式化之數位濾波器。
6. 如請求項1之整合溫度感測器裝置，其中該控制暫存器經設定為0以停用該可程式化之數位濾波器。
7. 如請求項4之整合溫度感測器裝置，其中該控制暫存器選擇複數個預定義濾波器係數之一者。
8. 如請求項1之整合溫度感測器裝置，其中該類比轉數位轉換器係可操作以提供約每秒200次轉換之一高速類比轉數位轉換器。
9. 如請求項1之整合溫度感測器裝置，其中該串列介面係一SPI、I²C，或一單線串列介面。
10. 一種用於操作一整合溫度感測器裝置之方法，其包括以下步驟：在該整合溫度感測器裝置內，藉由一類比轉數位轉換器，將由一感測器元件提供之一類比值轉換成一數位溫度值，在該整合溫度感測器裝置內，將該數位溫度值儲存在一相關聯溫度暫存器中，在該整合溫度感測器裝置內，將該數位溫度值饋送至一數位濾波器，在該整合溫度感測器裝置內，將一經濾波溫度值儲存在一相關聯經濾波溫度暫存器中；藉由一微處理器或微控制器，經由該整合溫度感測器裝置內之一串列介面來讀取該溫度暫存器或該經濾波溫度暫存器。
11. 如請求項10之方法，其中該感測器元件為一半導體二極體。
12. 如請求項10之方法，進一步包括在該整合溫度感測器裝置內，將一控制值儲存在與該數位濾波器耦合之一控制暫存器中，其中該控制暫存器選擇複數個預定義濾波器係數之一者。
13. 如請求項12之方法，其中該控制暫存器經組態以在該控制值為0時停用該數位濾波器。
14. 如請求項13之方法，其中將該控制值係儲存在該控制暫存器之複數個位元中。
15. 如請求項10之方法，其中該串列介面係一SPI、I²C，或一單線串列介面。
16. 如請求項10之方法，其中該類比轉數位轉換器係可操作以提供約每秒200次轉換之一高速類比轉數位轉換器。