Pretvornik temperature v frekvenco DIY: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Temperaturni senzorji so ena najpomembnejših vrst fizičnih senzorjev, saj veliko različnih procesov (tudi v vsakdanjem življenju) uravnava temperatura. Poleg tega merjenje temperature omogoča posredno določanje drugih fizikalnih parametrov, kot so pretok snovi, nivo tekočine itd. Običajno senzorji pretvorijo izmerjeno fizično vrednost v analogni signal, temperaturni senzorji pa tukaj niso izjema. Za obdelavo s procesorjem ali računalnikom je treba analogni temperaturni signal pretvoriti v digitalno obliko. Za takšno pretvorbo se običajno uporabljajo dragi analogno-todigitalni pretvorniki (ADC).

Namen tega navodila je razviti in predstaviti poenostavljeno tehniko za neposredno pretvorbo analognega signala iz temperaturnega senzorja v digitalni signal s sorazmerno frekvenco z uporabo GreenPAK ™. Nato lahko frekvenco digitalnega signala, ki se spreminja glede na temperaturo, z dokaj visoko natančnostjo lažje izmerimo in nato pretvorimo v zahtevane merske enote. Takšna neposredna preobrazba je zanimiva predvsem zaradi dejstva, da ni potrebe po uporabi dragih analogno-digitalnih pretvornikov. Tudi prenos digitalnega signala je bolj zanesljiv kot analogni.

Spodaj smo opisali potrebne korake za razumevanje, kako je bil čip GreenPAK programiran za ustvarjanje pretvornika temperature v frekvenco. Če pa želite samo doseči rezultat programiranja, prenesite programsko opremo GreenPAK, če si želite ogledati že dokončano oblikovalsko datoteko GreenPAK. Priključite razvojni komplet GreenPAK v računalnik in pritisnite hitri program, da ustvarite IC po meri za pretvornik temperature v frekvenco.

1. korak: Analiza načrtovanja

Glede na posebne zahteve, predvsem v temperaturnem območju in natančnosti, je mogoče uporabiti različne vrste temperaturnih senzorjev in njihova vezja za obdelavo signalov. Najbolj razširjeni so termistorji NTC, ki z naraščajočo temperaturo zmanjšujejo vrednost svojega električnega upora (glej sliko 1). Imajo bistveno višji temperaturni koeficient upora v primerjavi s kovinskimi uporovnimi senzorji (RTD) in stanejo veliko manj. Glavna pomanjkljivost termistorjev je njihova nelinearna odvisnost značilnega "upora proti temperaturi". V našem primeru to nima pomembne vloge, saj med pretvorbo obstaja natančna skladnost frekvence z uporom termistorja in s tem temperatura.

Slika 1 prikazuje grafično odvisnost upora termistorja od temperature (vzeti iz podatkovnih listov proizvajalca). Za našo zasnovo smo uporabili dva podobna NTC termistorja s tipično upornostjo 10 kOhm pri 25 ° C.

Osnovna ideja neposredne transformacije temperaturnega signala v izhodni digitalni signal sorazmerne frekvence je uporaba termistorja R1 skupaj s kondenzatorjem C1 v frekvenčnem vezju R1C1 generatorja kot del klasičnega obroča oscilator z uporabo treh logičnih elementov "NAND". Časovna konstanta R1C1 je odvisna od temperature, saj se ob spremembi temperature upor termistorja ustrezno spremeni.

Frekvenco izhodnega digitalnega signala je mogoče izračunati s formulo 1.

2. korak: Pretvorniki temperature v frekvenco na osnovi SLG46108V

Ta vrsta oscilatorja običajno doda upor R2, da omeji tok skozi vhodne diode in zmanjša obremenitev vhodnih elementov vezja. Če je vrednost upora R2 veliko manjša od upora R1, potem to dejansko ne vpliva na frekvenco generiranja.

Posledično sta bili na podlagi GreenPAK SLG46108V izdelani dve različici pretvornika temperature v frekvenco (glej sliko 5). Aplikacijsko vezje teh senzorjev je prikazano na sliki 3.

Zasnova je, kot smo že povedali, precej preprosta, gre za verigo treh elementov NAND, ki tvorijo obročni oscilator (glej sliko 4 in sliko 2) z enim digitalnim vhodom (PIN#3) in dvema digitalnima izhodoma (PIN #6 in PIN#8) za povezavo z zunanjim vezjem.

Foto mesta na sliki 5 prikazujejo aktivne temperaturne senzorje (kovanec za en cent je za merilo).

3. korak: Meritve

Izvedene so bile meritve za oceno pravilnega delovanja teh aktivnih temperaturnih senzorjev. Naš temperaturni senzor je bil nameščen v nadzorovano komoro, temperaturo znotraj katere je bilo mogoče spremeniti na natančnost 0,5 ° C. Zabeležena je bila frekvenca izhodnega digitalnega signala, rezultati pa so predstavljeni na sliki 6.

Kot je razvidno iz prikazane ploskve, meritve frekvence (zeleni in modri trikotniki) skoraj v celoti sovpadajo s teoretičnimi vrednostmi (črne in rdeče črte) v skladu z zgoraj navedeno formulo 1. Posledično ta način pretvorbe temperature v frekvenco deluje pravilno.

4. korak: Tretji aktivni temperaturni senzor, ki temelji na SLG46620V

Vgrajen je bil tudi tretji aktivni temperaturni senzor (glej sliko 7), ki dokazuje možnost enostavne obdelave z vidno indikacijo temperature. Z uporabo GreenPAK SLG46620V, ki vsebuje 10 elementov zakasnitve, smo zgradili deset frekvenčnih detektorjev (glej sliko 9), od katerih je vsak konfiguriran za zaznavanje signala ene posebne frekvence. Na ta način smo zgradili preprost termometer z desetimi prilagodljivimi indikacijskimi točkami.

Slika 8 prikazuje shemo najvišje ravni aktivnega senzorja z indikatorji za prikaz desetih temperaturnih točk. Ta dodatna funkcija je priročna, ker je mogoče vizualno oceniti vrednost temperature brez ločene analize generiranega digitalnega signala.

Sklepi

V tem navodilu smo predlagali metodo za pretvorbo analognega signala temperaturnega senzorja v frekvenčno moduliran digitalni signal z uporabo izdelkov GreenPAK iz Dialoga. Uporaba termistorjev v povezavi z GreenPAK-om omogoča predvidljive meritve brez uporabe dragih analogno-digitalnih pretvornikov in se izogne zahtevi po merjenju analognih signalov. GreenPAK je idealna rešitev za razvoj te vrste prilagodljivega senzorja, kot je prikazano v izdelanih in preizkušenih prototipnih primerih. GreenPAK vsebuje veliko število funkcionalnih elementov in blokov vezij, potrebnih za izvajanje različnih rešitev vezja, kar močno zmanjša število zunanjih komponent končnega aplikacijskega vezja. Nizka poraba energije, majhna velikost čipa in nizki stroški so dodaten bonus pri izbiri GreenPAK kot glavnega krmilnika za številne zasnove vezij.