如果FPGA/微處理器上只剩下一個(gè)GPIO，該如何進(jìn)行模擬測量？

在關(guān)注機(jī)器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應(yīng)用中，隨著檢測功能的日趨普及，對更簡單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長。連接到單個(gè)微處理器或FPGA的器件密度不斷增加，而應(yīng)用空間（以及由此導(dǎo)致的I/O引腳數(shù)量）卻受到限制。在理想情況下，所有應(yīng)用都需要一個(gè)ASIC來提供小巧的集成式解決方案。

但是，ASIC的開發(fā)既耗時(shí)又昂貴，并且不具備滿足其他用途的靈活性。因此，越來越多的應(yīng)用都在使用微處理器或尺寸小巧的FPGA，以便能夠經(jīng)濟(jì)高效地按時(shí)完成產(chǎn)品開發(fā)。在本文中，我們將探討一種溫度-頻率轉(zhuǎn)換器，它只需要使用一個(gè)GPIO引腳即可提供準(zhǔn)確的溫度結(jié)果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉(zhuǎn)換器用于各種檢測應(yīng)用。

某些傳感器測量值（例如溫度、濕度和氣壓）本質(zhì)上是直流電，而且其變化速率并未快到（它們也不需要足夠精確的分辨率）足以保證ADC的需求以及與之相關(guān)的設(shè)計(jì)考慮。大多數(shù)ADC要求快速準(zhǔn)確的時(shí)鐘生成和時(shí)序、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓、具有非常低輸出阻抗的基準(zhǔn)緩沖器以及模擬前端電路，以便對傳感器輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a target="_blank">信號調(diào)理，然后才能對其進(jìn)行數(shù)字量化并通過系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在進(jìn)行環(huán)境溫度檢測時(shí)，分立式應(yīng)用可能會(huì)在惠斯通電橋中使用一個(gè)熱敏電阻，然后由儀表放大器獲得其輸出，再饋入ADC。這種設(shè)計(jì)屬于過度設(shè)計(jì)，需要超出應(yīng)用所需的更多空間、功率和計(jì)算周期，而應(yīng)用本身可能僅需要每15秒進(jìn)行一次測量。

能否設(shè)計(jì)一種替代性測量解決方案，既能減少與ADC信號鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復(fù)雜性，還能測量模擬電壓？該解決方案就是采用一個(gè)電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（例如 LTC6990, 將其配置為電壓控制振蕩器(VCO)模式，這樣就可以用來測量模擬電壓，而無需ADC。在本示例中，將精密熱電偶放大器 AD8494配置為環(huán)境溫度傳感器，其輸出電壓用作LTC6990的輸入，從而生成一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的信號鏈。

圖1. 簡單的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。

如今，許多現(xiàn)代電子設(shè)備都需要板載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號或數(shù)字信號的方法已有大量的文獻(xiàn)記載。但是，如果測量解決方案需要一個(gè)ADC，則存在一些與成本、精度和速率相關(guān)的不利因素。通常，測量越精確，解決方案就越昂貴。該電路提供了一種低成本且易于連接的通用解決方案，其精度可以根據(jù)溫度測量系統(tǒng)的需求而改變。

AD8494是一款熱電偶精密放大器，但它也可以通過將其輸入短路接地用作環(huán)境溫度傳感器。輸出則定義為：

在使用單極性電源的電路中， –V_S=地電壓(0 V)，同時(shí)還必須向AD8494的REF引腳施加一個(gè)失調(diào)電壓，從而使輸出電壓偏置高于地電壓，即使環(huán)境溫度為負(fù)時(shí)也是如此。

溫度傳感器的輸出電壓 V_OUT定義為：

在VCO模式下，LTC6990的頻率輸出定義為：

由于AD8494的輸出電壓是LTC6990的 V_CTRL因此可以用公式1來替換公式2中的 V_CTRL設(shè)定 R_SET= R-_VCO則得到以下結(jié)果：

這樣就可以解出T_ambient消掉電壓單位，于是得到公式5：

頻率輸出的美妙之處在于可以使用單個(gè)GPIO引腳進(jìn)行傳感器測量。如果使用圖3所示的同步計(jì)數(shù)器電路，那么在其CLK_IN輸入端將始終會(huì)觀察到時(shí)鐘的上升沿。如果將LTC6990的 F_OUT用作輸入時(shí)鐘，則每次檢測到 F_OUT的上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器都會(huì)遞增，從而創(chuàng)建了一個(gè)周期計(jì)數(shù)器。如果每次測量之間的時(shí)間間隔保持恒定，則可以計(jì)數(shù)給定時(shí)間間隔內(nèi)的周期數(shù)，并可通過浮點(diǎn)運(yùn)算或查找表計(jì)算出頻率。將采集時(shí)間 T_Acquisitionn除以計(jì)數(shù)所得的周期數(shù)，可以得出 F_OUT的周期。對該關(guān)系式取倒數(shù)則得到公式6。

圖2. 一個(gè)以LTC6990輸出作為其時(shí)鐘輸入的4位同步計(jì)數(shù)器。

Verilog代碼示例顯示了一個(gè)通過使用FPGA上的單個(gè)GPIO輸入來計(jì)數(shù)周期數(shù)的函數(shù)。采集周期越長，測量結(jié)果就越精確。在下述代碼示例中，使用了一個(gè)16位計(jì)數(shù)器來提高分辨率。同時(shí)還假定在架構(gòu)的更高層級執(zhí)行采集時(shí)間測量控制邏輯。

圖3. Verilog代碼示例。

圖4. 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)。

在本應(yīng)用中，我們討論了一種新型的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。它提供了一種精確測量溫度的低成本方法。如果溫度超過–40°C至+125°C的工業(yè)溫度范圍，則可在傳感器的輸入端安裝一個(gè)熱電偶。下圖總結(jié)列出了測量系統(tǒng)的誤差。它說明了環(huán)境溫度與輸出頻率以及系統(tǒng)精度之間的線性關(guān)系。盡管此解決方案可能無法提供非常好的溫度分辨率結(jié)果，但對于可接受大約±2°C誤差的應(yīng)用，它提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)簡單的溫度測量接口。此外，采用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念也可用于測量其他類型的傳感器輸出，且無需使用ADC。

圖5. 溫度誤差。