Come effettuare misurazioni analogiche se c'è un solo GPIO su FPGA

"Oggi, molti moderni Elettronico i dispositivi richiedono un sistema di monitoraggio della temperatura a bordo. Il metodo per convertire un segnale analogico in un segnale di modulazione di larghezza di impulso o un segnale digitale è stato documentato in un gran numero di documenti. Tuttavia, se la soluzione di misurazione richiede un ADC, ci sono alcuni svantaggi relativi a costi, precisione e velocità. In genere, più è accurata la misurazione, più costosa è la soluzione. Questo circuito fornisce una soluzione universale a basso costo e facile da collegare, la cui precisione può essere modificata in base alle esigenze del sistema di misurazione della temperatura.

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Q:

Se è rimasto solo un GPIO sul FPGA/microprocessore nel sistema, come eseguire la misurazione analogica?

A:

A voltaggio-frequenza convertitore può essere utilizzato al posto del convertitore analogico-digitale.

Tuttavia, lo sviluppo di ASIC richiede tempo e denaro e non ha la flessibilità per soddisfare altri usi. Pertanto, sempre più applicazioni utilizzano microprocessori o FPGA di piccole dimensioni per completare lo sviluppo del prodotto in tempo, in modo economico ed efficiente. In questo articolo, esploreremo un convertitore di frequenza di temperatura che deve utilizzare solo un pin GPIO per fornire risultati di temperatura accurati. Questo articolo dimostrerà anche come utilizzare i convertitori di frequenza e tensione per varie applicazioni di rilevamento.

motivazione

Alcuni sensore le misurazioni (come temperatura, umidità e pressione dell'aria) sono essenzialmente in corrente continua e la loro velocità di variazione non è sufficientemente rapida (e non necessitano di una risoluzione sufficientemente precisa) per soddisfare i requisiti dell'ADC e le considerazioni di progettazione associate con esso. La maggior parte degli ADC richiede tempi e generazione di clock rapidi e precisi, tensioni di riferimento stabili, buffer di riferimento con impedenza di uscita molto bassa e circuiti front-end analogici per condizionare adeguatamente l'uscita del sensore prima che possa essere quantizzata e superata digitalmente. Il sistema viene monitorato. Quando rilevano la temperatura ambiente, le applicazioni discrete possono utilizzare un termistore nel ponte di Wheatstone, quindi ottenere la sua uscita dall'amplificatore della strumentazione e quindi inserirla nell'ADC. Questo design è un over-design, che richiede più spazio, potenza e cicli di calcolo rispetto a quelli richiesti dall'applicazione e l'applicazione stessa potrebbe dover eseguire solo una misurazione ogni 15 secondi.

LTC6990

Funzionamento a frequenza fissa o controllato in tensione

-Risolto: un singolo Resistore è responsabile dell'impostazione della frequenza (errore massimo -VCO: due resistori sono responsabili dell'impostazione della frequenza centrale del VCO e della gamma di sintonia
Gamma di frequenza: da 488Hz a 2MHz
Funzionamento ad alimentazione singola da 2.25 V a 5.5 V
Corrente di alimentazione 72μA (a 100kHz)
Tempo di avvio 500μs
Larghezza di banda VCO> 300kHz (a 1MHz)
L'uscita logica CMOS può fornire/assorbire 20 mA
Ciclo di lavoro del 50% in uscita a onda quadra
Abilitazione uscita (è possibile selezionare lo stato a bassa o alta impedenza quando disabilitato)
Intervallo di temperatura di esercizio da -55ºC a 125ºC
Disponibile in confezione a basso profilo (solo 1 mm di altezza) SOT-23 (ThinSOTTM) e confezione DFN da 2 mm x 3 mm

È possibile progettare una soluzione di misurazione alternativa in grado di ridurre il numero e la complessità di componenti relativo alla catena del segnale dell'ADC misurando anche la tensione analogica? La soluzione consiste nell'utilizzare un convertitore tensione-frequenza (come LTC6990, configurarlo come modalità oscillatore controllato in tensione (VCO), in modo che possa essere utilizzato per misurare la tensione analogica senza bisogno di ADC. In questo esempio, la precisione termocoppia L'amplificatore AD8494 è configurato come sensore di temperatura ambiente e la sua tensione di uscita viene utilizzata come ingresso dell'LTC6990 per generare una catena di segnali del convertitore di temperatura-frequenza.

Figura 1. Semplice convertitore di temperatura-frequenza.

Come convertire l'ingresso di temperatura in uscita di frequenza?

Oggi, molti dispositivi elettronici moderni richiedono un sistema di monitoraggio della temperatura a bordo. Il metodo per convertire un segnale analogico in un segnale di modulazione di larghezza di impulso o un segnale digitale è stato documentato in un gran numero di documenti. Tuttavia, se la soluzione di misurazione richiede un ADC, ci sono alcuni svantaggi relativi a costi, precisione e velocità. In genere, più è accurata la misurazione, più costosa è la soluzione. Questo circuito fornisce una soluzione universale a basso costo e facile da collegare, la cui precisione può essere modificata in base alle esigenze del sistema di misurazione della temperatura.

AD8494 è un amplificatore di precisione a termocoppia, ma può essere utilizzato anche come sensore di temperatura ambiente cortocircuitando il suo ingresso a terra. L'uscita è definita come:

In un circuito che utilizza un alimentatore unipolare,