基于FPGA的V/F轉換電路溫度補償技術研究

楊良軍 ，董建樹，王 蒙，王 惠，嚴宗睿，任軍學

(1.海軍駐昆明地區軍事代表處，昆明 650000； 2.北京自動化控制設備研究所，北京 100074;3.北京振興計量測試研究所，北京 100074; 4.海軍指揮學院，南京 210016; 5.北京航空航天大學，北京 100191)

基于FPGA的V/F轉換電路溫度補償技術研究

楊良軍1，董建樹2，王 蒙2，王 惠3，嚴宗睿4，任軍學5

(1.海軍駐昆明地區軍事代表處，昆明 650000； 2.北京自動化控制設備研究所，北京 100074;3.北京振興計量測試研究所，北京 100074; 4.海軍指揮學院，南京 210016; 5.北京航空航天大學，北京 100191)

針對溫度對V/F轉換電路工作性能的影響，分析了主要電子元器件的溫度影響因子,闡述了轉換電路的溫度補償原理。在電路中采用基于FPGA的數字式溫度補償方案進行溫度補償的標定、設計與試驗，結果表明采用數字式溫度補償方式改善了溫度因素對V/F轉換電路的影響，使得電路滿足溫度穩定性要求。

溫度補償；V/F轉換；標定；FPGA

0 引言

隨著計算機技術與大規模集成電路技術的飛速發展，模數轉換電路技術也在不斷的進步與發展，并在慣性導航系統的工程應用中起到非常重要的作用。模數轉換的分類方法很多，一般分為積分型、比較型和電荷平衡型三類，其中電壓/頻率轉換電路就屬于電荷平衡型。通常，慣性傳感器件輸出的模擬信號的變化率比較慢，而慣性導航系統對模數轉換的精度要求高，使得電壓/頻率轉換電路成為慣性導航系統中模數轉換部件的優先選擇。

電壓/頻率轉換電路，又稱壓頻轉換電路(簡稱V/F轉換電路)，是一種將模擬電壓信號轉變為頻率信號，通過數字電路測量其頻率，從而運算出輸入的模擬電壓信號大小的電路。它的作用與A/D器件相似，輸入阻抗高，與計算機連接方便，具有雙極性雙路轉換輸出特性。在慣性導航系統中，V/F轉換電路與加速度計、陀螺一起工作，將加速度計、陀螺輸出的模擬信號轉換成與其成比例的數字脈沖信號，以適應導航計算機的的高精度計數需要。V/F轉換電路的輸出頻率與輸入電壓的比例系數稱為標度因數。在電路工作溫度范圍內標度因數的最大相對變化量稱為轉換標度因數的溫度漂移(簡稱溫漂)。平均每1℃的溫度漂移量稱為標度因數的溫度系數。

按照電子設備可靠性設計要求，轉換電路應能滿足在環境溫度范圍內正常工作，要求轉換電路適應高低溫工作的各種試驗條件，試驗過程中和恢復常溫后應能滿足技術條件要求。電子元器件的工作性能隨著環境溫度的變化而改變，因此，溫度因素是影響V/F轉換電路工作性能的重要因素，溫度漂移也是衡量轉換電路性能的一項重要指標[1-2]。

V/F轉換電路的溫度補償方式一般分為硬件補償和數字式補償兩種。硬件溫度補償電路由于其不使用數字芯片，因此所用器件質量等級較高，有著很高的可靠性，但是硬件補償電路調試工作量相對復雜，對非線性的溫度特性補償較為困難[3]；相反，數字式溫度補償方案具有結構簡單、補償方式靈活方便、節省人工的特點，成為一種更合適的溫度補償方案。

1 轉換電路溫度因素的影響

V/F轉換電路基于電荷平衡原理，產生與輸入電壓信號成正比的頻率脈沖信號。V/F轉換電路可以劃分為電荷平衡電路、恒流源電路、同步邏輯控制電路、溫度補償電路等4個基本的功能模塊，如圖1所示。首先，輸入電壓量進入電荷平衡電路模塊中進行電容積分，當積分值超過門限電壓值后，會發出頻率信號給同步邏輯控制電路模塊；該模塊控制恒流源反饋電路，向積分器中注入反向的電流，使得電容反向積分，最終實現積分器中的電荷平衡，同時電路對外輸出相應比例的頻率量；另外，溫度補償電路對恒流源模塊進行溫度補償，確保反饋電流源在工作溫度范圍內保持良好的穩定性。

圖1 轉換電路組成框圖Fig.1 The functional block diagram of conversion circuit

轉換電路的輸出頻率f與輸入電壓V入之間的函數關系滿足式(1)

(1)

式中，V入為被測輸入電壓；I反為反饋基準電流；F為基準頻率；η為由輸入電阻及反饋電流分流系數決定的比例系數；F為代表輸出頻率，作為轉換電路的結果。

由式(1)可知，影響轉換電路輸出頻率的參數包括由輸入電阻及反饋電流分流系數決定的系數η、基準頻率F和反饋基準電流I反。系數η主要由采樣電阻、積分電阻決定；基準頻率F主要由晶體振蕩器決定；反饋基準電流I反主要由電壓基準器件和轉換電阻決定。當這些器件的溫度特性共同發生作用，就會影響電路輸出頻率的溫度漂移。

慣性導航系統一般要求轉換電路在-40℃～60℃的工作溫度范圍內，輸出頻率的溫度漂移不大于2×10-5/℃。影響輸出頻率的溫度漂移不大于2×10-5/℃。影響輸出頻率的溫度漂移的因素主要來自轉換電路的元器件溫度特性，通常對轉換電路進行適當的溫度補償以滿足系統要求。V/F轉換電路的主要元器件的溫度特性統計表如表1所示。

表1 主要元器件的溫度特性表

其中，采樣電阻和積分電阻都選用高精度電阻器，溫度特性為±5×10-6/℃；晶體振蕩器選用溫度補償晶體振蕩器，在-40℃～60℃溫度范圍內頻率穩定度為±1×10-6，即±1×10-8/℃；電壓基準器件的輸出電壓溫度漂移低于4×10-6/℃，轉換電阻選用高精度電阻器，溫度特性為±5×10-6/℃。

由以上分析可知，除晶體振蕩器的溫度漂移較小可以忽略外，由采樣電阻、積分電阻、電壓基準器件和轉換電阻產生的最大溫度漂移為1.9×10-5/℃。如果加上轉換電路中其他元器件溫度漂移的影響，轉換電路輸出頻率的溫度漂移將更大。因此，在元器件已經優選并確定的情況下，轉換電路進行溫度補償，以降低溫度因素的影響[4-5]。

2 溫度補償原理

一般地，改變V/F轉換電路的輸出頻率f，實現對轉換電路溫度補償的目的，可以通過改變V/F轉換電路的比例系數η、基準頻率F或反饋基準電流I反來實現。

其中，比例系數η主要由采樣電阻、積分電阻決定，當轉換電路的量程確定后，采樣電阻、積分電阻的阻值也就隨之固定。因此，不能通過改變比例系數η來對轉換電路進行溫度補償。

基準頻率F由晶體振蕩器輸出頻率通過分頻器產生，其值取決于慣導系統要求的轉換電路滿量程輸出頻率值，是固定量。因此，不能通過改變基準頻率F來對轉換電路進行溫度補償。

反饋基準電流I反由基準電壓和轉換電阻決定。由于V/F轉換電路輸入電壓有正負之分，當輸入電壓為正時，需引入負的反饋基準電壓；當輸入電壓為負時，需引入正的反饋基準電壓。反饋基準電壓輸出到橋式電流反饋開關電路單元中，那么，通過直接并聯引入一個電壓量(串聯電阻)，等效為引入一個IΔ，即可改變反饋基準電流值，進而改變轉換電路輸出頻率f，達到對輸出頻率進行補償的目的。

3 數字式溫度補償方案

數字式溫度補償方案的原理是根據溫度傳感器測試得到的環境溫度值，輸出相應的數字信號，經過D/A轉換后調整反饋基準電流，實時改變轉換電路輸出頻率，減小溫度變化對輸出頻率產生的影響。溫度補償電路主要包括測溫電路、中央處理電路和D/A轉換電路3個單元。數字式溫度補償流程如圖2所示。

圖2 數字式溫度補償流程圖Fig.2 The flow chart of digital temperature compensation

測溫電路單元的功能是采集電路板溫度信息，提供給中央處理電路。中央處理電路單元中的溫度采集模塊獲取溫度信息后，提供給查表模塊進行判溫處理、補償數據的查表運算，然后控制D/A控制模塊輸出相應的補償數字量到補償電路單元[6-7]。補償電路單元的作用是根據輸出補償數據產生輸出電壓，對反饋基準電壓進行補償。

數字式溫度補償的措施是，首先在全溫范圍內對V/F轉換電路進行標定，在一定間隔的溫度點上分別測試并計算得到每一轉換通道的標度因數平均值(或者等效值)。一般以常溫時的標度因數平均值(或者等效值)作為基準點，計算出其他溫度點的標度因數平均值與基準點的偏差，以此作為補償依據，得到每個溫度點所需的補償值，預先寫入中央處理電路。這樣，溫度傳感器實時測量環境溫度并傳給中央處理電路，中央處理電路根據溫度值進行查表或插值計算，確定在此環境溫度下所需的補償值，最后通過D/A轉換器對反饋基準電壓進行補償，也即對轉換電路輸出頻率進行溫度補償。

4 溫度補償方案的應用

某產品要求V/F轉換模塊的工作溫度范圍為-40℃～+70℃，標度因數溫度系數不大于1×10-5/℃。由于該產品具備負責信息處理功能的FPGA芯片，能夠兼容數字式溫度補償的邏輯模塊，所以采用基于FPGA的數字式溫度補償方式對轉換電路進行補償，改善電路的溫漂特性。

4.1 溫度標定

V/F轉換電路必須在常溫線性度已經補償合格的情況下進行溫度補償，使得同一路在全溫范圍內、同一輸入電流情況下始終輸出基本相同的頻率值，并且滿足標度因數的溫度系數指標。

首先由各溫度點標定值計算出溫漂不合格的電路，表2所示為在不同溫度點測量并計算出的3路輸入共6通道的標度因數值。

表2 在不同溫度點的3路輸入共6通道的標度因數測量表

正向標度因數溫度系數K+、負向標度因數溫度系數K-計算方法如下:

(2)

(3)

式中：

經過計算，各路的標度因數的溫度漂移值在1.6×10-5/℃～2.3×10-6/℃之間，不滿足指標要求，因此需要進行溫度補償。

4.2 溫度補償值的參數設計

以30℃時的標度因數平均值作為基準點，計算出其他溫度點的標度因數平均值與基準點的偏差，以此作為補償依據，得到每個溫度點的補償值。

由表3數據獲得AX+、AX-通道的溫度曲線如圖3、圖4所示，其中橫坐標代表溫度，縱坐標代表標度因數補償值。Y、Z路正向的溫度曲線與X類似。補償曲線應當使所有溫度的數據都向常溫的數據靠攏，理想結果是一條水平直線。

表3 在不同溫度點的3路輸入共6通道的標度因數補償表

圖3 AX+通道的補償曲線與公式Fig.3 Compensation curve and formula for AX+ channel

圖4 AX-通道的補償曲線與公式Fig.4 Compensation curve and formula for AX- channel

然后，對圖3、圖4中的數據分別進行二次曲線擬合，獲得二次曲線公式分別為：

y=-0.0026x2-0.7316x+5.235

(4)

y=0.004x2+1.0176x-34.36

(5)

式中，x表示溫度(℃)，y表示補償值(范圍在-128～+127)。

最后，根據擬合公式，以每2℃為一個溫度點，進行插值運算。由于電路在溫度標定前已經預先給定補償電路單元的基礎電壓值，由于D/A器件在未補償時輸出固定的基礎電壓值為一個中間值(2.5V為0V～5V的中間值)，對應的數字量為128(范圍在0～255)，所以計算的溫度補償值應當疊加一個數字基礎值128，使得補償值的范圍在0～255。

4.3 測溫電路的設計

測溫電路采用單線數據傳輸式器件DS1820作為溫度傳感器，它可以通過1根連線與FPGA連接，只占用1個I/O口資源，測溫范圍為-55℃～+125℃，可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，實現高精度測溫。該傳感器的溫度數據由低8位和高8位共2個字節(第0～15位)構成。以12位轉換精度為例，前面5位是符號位，考慮到FPGA邏輯中進行數學浮點運算較為復雜，所有溫度值的精度設定為1℃，將上述數據右移4位后即可得到分辨率為1℃的溫度數據。

4.4 中央處理電路的設計

中央處理電路設計的硬件采用Actel公司的SmartFusion 系列FPGA 作為核心控制芯片，融合了ARM處理器的內核(硬核)、FPGA內核以及模擬的部件，具有低成本、低功耗、高安全性和可靠性的特點[8]。其中，ARM處理器的內核提供給系統總體使用，而FPGA邏輯資源用于實現溫度補償方案，不依賴ARM處理器工作[9-10]。

溫度傳感器實時測量環境溫度并傳給中央處理電路，中央處理電路根據溫度值進行查表或插值計算，確定在此環境溫度下所需的補償值，最后通過D/A轉換器對反饋基準電壓進行補償，如圖5所示。

圖5 中央處理電路組成框圖Fig.5 The functional block diagram of central processing circuit

溫度采集模塊工作過程中的協議如下：1)初始化；2)ROM操作命令；3)存儲器操作命令；4)處理數據。在單總線上的所有處理都是從初始化開始，初始化過程是主機總線發送一復位脈沖(最短為480μs的低電平信號)，DS1820在檢測到總線的上升沿之后，等待15～60μs,接著發出存在脈沖(60～240μs)；主機檢測到DS1820的存在，便可發出ROM操作命令之一，這里跳過ROM操作命令(發送0xCCH)；主機只有在發出ROM操作命令之后，才可以對存儲器進行操作，相應命令如下：0x44H啟動溫度轉換，0xBEH讀寄存器中的溫度數據。溫度采集模塊的測溫程序流程圖如圖6所示。

圖6 DS1820測溫程序流程圖Fig.6 Program flow chart of temperature measurement for DS1820

溫度補償數據的獲取方法通常有查表法和插值法，出于對FPGA邏輯資源消耗的考慮，對標度因數的溫度補償數據采用了查表法。查表法一般適用于參數計算復雜、采用計算法編程較繁瑣等情況。查表法根據溫度標定的試驗數據求得二次校正曲線，然后把曲線上各個校正點的數據以表格形式存入存儲單元中。在實時測量中，通過查表來補償測量結果。查表法的速度快，但為了進一步提高補償精度，需要增加表中的校正數據，這樣會占用內存空間和查表時間，因此需要綜合考慮資源與精度之間的平衡。這里以每2℃為一個溫度點進行查表運算。

D/A控制模塊實現6通道8位數模轉換功能，采用三線SPI方式進行溫度補償數據的控制與傳輸[11-12]。

4.5 補償電路的設計

D/A轉換電路采用單片封裝12通道8位DAC芯片AD8802。它具有獨立的可編程輸出端口，具備三線SPI串口輸入端，可預設半量程。AD8802串行加載時序圖如圖7所示。

圖7 AD8802串行加載時序圖Fig.7 Sequence chart of serial loading for AD8802

輸出模擬電壓的公式可以簡化為

Vout=D·5V/256

(6)

其中，D表示溫度補償的數字量(范圍在0～255)，Vout表示輸出模擬電壓量(范圍在0V～5V)。

D/A輸出電壓通過100kΩ電阻連接到橋式電流反饋開關電路單元中，與通過1kΩ電阻連接到反饋基準電壓產生電路共同作用，進而對反饋基準電流產生影響。由此參數設置可知，當D/A輸出電壓由0V變為+5V時，反饋基準電流變化量為50μA，反饋基準電流相對變化量IΔ=50μA/10mA=5‰。因此，在-40℃～70℃的全溫范圍內，數字式溫度補償對轉換電路輸出頻率的補償能力為4.5×10-5/℃[13-15]。

在常溫下測量數模轉換器件AD8802的輸出電壓值，從而判斷溫補電路是否正常工作，然后在全溫范圍內驗證溫補的測試數據。

4.6 溫度補償結果

采用數字式溫度補償方案，對V/F轉換電路進行了溫度補償，取得了良好的效果。測試數據如表4所示，采用數字式溫度補償的V/F轉換電路溫度特性得到了明顯改善，至少提高了1個數量級，其標度因數溫度漂移最大值小于2×10-6/℃，滿足技術指標要求。

表4 V/F轉換電路溫度補償前后對比

5 結論

溫度是影響V/F轉換電路工作性能的重要因素，通過改變反饋基準電流值，進而改變轉換電路輸出頻率，能夠達到對輸出頻率進行補償的目的。數字式溫度補償的原理是根據溫度傳感器測試得到的環境溫度值，輸出相應的數字信號，經過D/A轉換后調整反饋基準電流，實時改變轉換電路輸出頻率，減小溫度變化對輸出頻率產生的影響。采用基于FPGA的數字式溫度補償方案，經過溫度標定、電路參數設計等步驟進行實際驗證。試驗結果表明，基于FPGA的數字式溫度補償方式改善了轉換電路的溫度特性，標度因數溫度漂移提高了1個數量級，使得V/F轉換電路具有良好的溫度穩定性。該方案節省人力成本，對慣性導航系統分部件的溫度補償具有重要的工程應用價值。

[1] Analog Devices,Inc. Monolithic Synchronous Voltage-to-Frequency Converter [EB/OL].http://www.analog.com, 2000.

[2] Bao J Y, Qin K Y, Tang B,et al. Digital implementation method of base-band signal of FSK quadrature modulation [C]// Information Technology and Computer Science — National Conference on Information Technology and Computer Science， 2012.

[3] 董明杰,汪渤,石永生,等.高精度V/F轉換電路的溫度補償方法[J].兵工學報， 2011,32(6):758-763.

[4] 夏本源,孫立寧,夏瑜.基于恒流源和V/F轉換的多路測溫系統的設計[J].自動化技術與應用， 2012, 31(11):84-87.

[5] Pease R A.模擬電路故障診斷[M].北京：人民郵電出版社，2007:28-31.

[6] Grace C R,Hurst P J,Lewis S H.A 12-b 80-MS/s pipelined ADC with bootstrapped digital calibration[J].IEEE Journal of Solid State Circuits, 2005,40(5):1038-1046.

[7] Reddy M S, Rahaman S T. An effective 6-bit flash ADC using low power CMOS technology [C]// International Conference on Advanced Computing Technologies (ICACT), 2013:1-4.

[8] 周立功. Smart Fusion—內嵌FPGA的CortexM3[J].電子產品世界, 2010, 17(4):82-83.

[9] 黃智偉, 王彥, 陳瓊. FGPA系統設計與實踐[M].北京:電子工業出版社, 2005:15-19.

[10] 羅苑棠. CPLD/FGPA常用模塊與綜合系統設計實例精講 [M].北京:電子工業出版社, 2007:37-42.

[11] 李長安, 李琦, 曾銳利, 等. 基于V/F變換器實現快速A/D轉換的探討[J].電子科技, 2008, 21(6):30-33.

[12] Chen X P. Design of control module for ADC based on FPGA [C]// IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering， 2011:571-572.

[13] 謝運濤, 程玉寶, 張愷, 等. 一種基于V/F轉換的大動態范圍測溫電路設計[J].中國電子科學研究院學報, 2013, 8(4):437-440.

[14] 袁建挺, 姜周曙, 黃國輝. 多路高精度熱電偶采集板研制[J].機電工程, 2011,28(1):87-89.

[15] Mindykowski J, Hallmann D, Masnicki R. Acquisition of data from ADC using FPGA[C]//XX IMEKO World Congress Metrology for Green Growth, 2012.

Research on Temperature Compensation Technology for V/F Conversion Circuit Based on FPGA

YANG liang-jun1, DONG Jian-shu2,WANG Meng2，WANG Hui3，YAN Zong-rui4，REN Jun-xue5

(1. Military Representative Office of Navy in Kunming Area, Kunming 650000, China;2. Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China；3. Beijing Revitalization Institute of Measurement and Test, Beijing 100074, China；4. Nanjing Naval Command Academy, Nanjing 210016, China；5. Beihang University, Beijing 100191, China)

According to the temperature impact on the performance of V/F conversion circuit, the temperature impact factors of main electronic component are analyzed. The temperature compensation principle of conversion circuit is described and the digital temperature compensation scheme based on FPGA is applied on the temperature compensation calibration, design and test. The result shows that the digital temperature compensation method decreases the temperature impact on V/F conversion circuit, which meets the temperature stability demand of circuit.

Temperature compensation; V/F conversion; Calibration; FPGA

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.06.014

2015-03-25；

2016-04-19。

楊良軍(1966 - ),男，高級工程師，主要從事水中兵器相關技術的研究。

TJ765.2

A

2095-8110(2016)06-0070-06