Zrób to sam konwerter temperatury na częstotliwość: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Czujniki temperatury są jednym z najważniejszych rodzajów czujników fizycznych, ponieważ wiele różnych procesów (także w życiu codziennym) jest regulowanych temperaturą. Poza tym pomiar temperatury umożliwia pośrednie określenie innych parametrów fizycznych, takich jak natężenie przepływu materii, poziom płynu itp. Zazwyczaj czujniki przetwarzają zmierzoną wartość fizyczną na sygnał analogowy, a czujniki temperatury nie są tu wyjątkiem. W celu przetworzenia przez procesor lub komputer analogowy sygnał temperatury musi zostać przetworzony na postać cyfrową. Do takiej konwersji powszechnie stosuje się drogie przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC).

Celem niniejszej instrukcji jest opracowanie i przedstawienie uproszczonej techniki bezpośredniej konwersji sygnału analogowego z czujnika temperatury na sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości przy użyciu GreenPAK™. Następnie częstotliwość sygnału cyfrowego, która zmienia się w zależności od temperatury, może być łatwiej zmierzona z dość dużą dokładnością, a następnie przekonwertowana na wymagane jednostki miary. Taka bezpośrednia transformacja jest interesująca przede wszystkim tym, że nie ma potrzeby stosowania drogich przetworników analogowo-cyfrowych. Ponadto transmisja sygnału cyfrowego jest bardziej niezawodna niż analogowa.

Poniżej opisaliśmy kroki potrzebne do zrozumienia, w jaki sposób chip GreenPAK został zaprogramowany do tworzenia konwertera temperatury na częstotliwość. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw rozwojowy GreenPAK do komputera i naciśnij program, aby utworzyć niestandardowy układ scalony dla konwertera temperatury na częstotliwość.

Krok 1: Analiza projektu

Różne typy czujników temperatury i ich obwody przetwarzania sygnału mogą być stosowane w zależności od konkretnych wymagań, przede wszystkim w zakresie temperatury i dokładności. Najszerzej stosowane są termistory NTC, które wraz ze wzrostem temperatury zmniejszają wartość swojej rezystancji elektrycznej (patrz rysunek 1). Mają znacznie wyższy współczynnik temperaturowy rezystancji w porównaniu z metalowymi czujnikami rezystancyjnymi (RTD) i kosztują znacznie mniej. Główną wadą termistorów jest ich nieliniowa zależność charakterystycznej „rezystancji od temperatury”. W naszym przypadku nie odgrywa to znaczącej roli, ponieważ podczas konwersji występuje dokładna zgodność częstotliwości z rezystancją termistora, a tym samym z temperaturą.

Rysunek 1 przedstawia graficzną zależność rezystancji termistora od temperatury (zaczerpnięte z arkuszy danych producenta). W naszym projekcie zastosowaliśmy dwa podobne termistory NTC o typowej rezystancji 10 kOhm przy 25°C.

Podstawową ideą bezpośredniej transformacji sygnału temperatury na wyjściowy sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości jest zastosowanie termistora R1 wraz z kondensatorem C1 w obwodzie zadawania częstotliwości R1C1 generatora, w ramach klasycznego pierścienia oscylator wykorzystujący trzy elementy logiczne „NAND”. Stała czasowa R1C1 zależy od temperatury, ponieważ wraz ze zmianą temperatury rezystancja termistora odpowiednio się zmieni.

Częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego można obliczyć za pomocą wzoru 1.

Krok 2: Przetwornice temperatury na częstotliwość oparte na SLG46108V

Ten typ oscylatora zazwyczaj dodaje rezystor R2, aby ograniczyć prąd płynący przez diody wejściowe i zmniejszyć obciążenie elementów wejściowych obwodu. Jeśli wartość rezystancji R2 jest znacznie mniejsza niż rezystancja R1, to w rzeczywistości nie wpływa to na częstotliwość generowania.

W związku z tym w oparciu o GreenPAK SLG46108V skonstruowano dwa warianty przemiennika temperatury na częstotliwość (patrz rysunek 5). Schemat aplikacyjny tych czujników przedstawiono na rysunku 3.

Konstrukcja, jak już powiedzieliśmy, jest dość prosta, jest to łańcuch trzech elementów NAND, które tworzą oscylator pierścieniowy (patrz Rysunek 4 i Rysunek 2) z jednym wejściem cyfrowym (PIN#3) i dwoma wyjściami cyfrowymi (PIN #6 i PIN#8) do podłączenia do obwodów zewnętrznych.

Zdjęcie miejsca na rysunku 5 pokazuje aktywne czujniki temperatury (jednocentówka to waga).

Krok 3: Pomiary

Przeprowadzono pomiary w celu oceny prawidłowego działania tych aktywnych czujników temperatury. Nasz czujnik temperatury został umieszczony w kontrolowanej komorze, w której temperaturę można było zmieniać z dokładnością do 0,5°С. Zarejestrowano częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego, a wyniki przedstawiono na rysunku 6.

Jak widać na przedstawionym wykresie, pomiary częstotliwości (zielony i niebieski trójkąt) prawie całkowicie pokrywają się z wartościami teoretycznymi (czarne i czerwone linie) zgodnie ze wzorem 1 podanym powyżej. W związku z tym ta metoda konwersji temperatury na częstotliwość działa poprawnie.

Krok 4: Trzeci aktywny czujnik temperatury oparty na SLG46620V

Zbudowano również trzeci aktywny czujnik temperatury (patrz Rysunek 7), aby zademonstrować możliwość prostej obróbki z widocznym wskazaniem temperatury. Korzystając z GreenPAK SLG46620V, który zawiera 10 elementów opóźniających, zbudowaliśmy dziesięć detektorów częstotliwości (patrz Rysunek 9), z których każdy jest skonfigurowany do wykrywania sygnału o określonej częstotliwości. W ten sposób skonstruowaliśmy prosty termometr z dziesięcioma konfigurowalnymi punktami wskazania.

Rysunek 8 przedstawia schemat najwyższego poziomu aktywnego czujnika ze wskaźnikami wyświetlania dla dziesięciu punktów temperatury. Ta dodatkowa funkcja jest wygodna, ponieważ możliwe jest wizualne oszacowanie wartości temperatury bez oddzielnej analizy generowanego sygnału cyfrowego.

Wnioski

W niniejszej Instrukcji zaproponowaliśmy metodę konwersji sygnału analogowego czujnika temperatury na sygnał cyfrowy z modulacją częstotliwości przy użyciu produktów GreenPAK firmy Dialog. Zastosowanie termistorów w połączeniu z GreenPAK umożliwia przewidywalne pomiary bez użycia drogich przetworników analogowo-cyfrowych i unikania konieczności pomiaru sygnałów analogowych. GreenPAK jest idealnym rozwiązaniem do opracowania tego typu konfigurowalnego czujnika, co widać na przykładach skonstruowanych i przetestowanych prototypów. GreenPAK zawiera dużą liczbę elementów funkcjonalnych i bloków obwodów niezbędnych do realizacji różnych rozwiązań układowych, co znacznie zmniejsza liczbę zewnętrznych komponentów końcowego obwodu aplikacji. Niski pobór mocy, mały rozmiar chipa i niski koszt to dodatkowa zaleta wyboru GreenPAK jako głównego kontrolera dla wielu projektów obwodów.