Преобразователь температуры в частоту своими руками: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Датчики температуры - один из самых важных видов физических датчиков, потому что многие различные процессы (в том числе и в повседневной жизни) регулируются температурой. Кроме того, измерение температуры позволяет косвенно определять другие физические параметры, такие как скорость потока вещества, уровень жидкости и т. Д. Обычно датчики преобразуют измеренное физическое значение в аналоговый сигнал, и датчики температуры здесь не исключение. Для обработки центральным процессором или компьютером аналоговый сигнал температуры должен быть преобразован в цифровую форму. Для такого преобразования обычно используются дорогие аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Целью данного руководства является разработка и представление упрощенного метода прямого преобразования аналогового сигнала от датчика температуры в цифровой сигнал с пропорциональной частотой с использованием GreenPAK ™. Впоследствии частота цифрового сигнала, которая изменяется в зависимости от температуры, может быть более легко измерена с довольно высокой точностью, а затем преобразована в требуемые единицы измерения. Такое прямое преобразование интересно в первую очередь тем, что нет необходимости в использовании дорогостоящих аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, передача цифрового сигнала надежнее аналогового.

Ниже мы описали шаги, необходимые для понимания того, как микросхема GreenPAK была запрограммирована для создания преобразователя температуры в частоту. Однако, если вы просто хотите получить результат программирования, загрузите программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже заполненный файл дизайна GreenPAK. Подключите GreenPAK Development Kit к компьютеру и нажмите программу, чтобы создать индивидуальную ИС для преобразователя температуры в частоту.

Шаг 1: Анализ конструкции

В зависимости от конкретных требований, в первую очередь по температурному диапазону и точности, могут использоваться различные типы датчиков температуры и их схемы обработки сигналов. Наиболее широко используются термисторы NTC, которые уменьшают значение своего электрического сопротивления с повышением температуры (см. Рисунок 1). Они имеют значительно более высокий температурный коэффициент сопротивления по сравнению с металлическими резистивными датчиками (RTD) и стоят намного дешевле. Основным недостатком термисторов является их нелинейная зависимость характеристики «сопротивление от температуры». В нашем случае это не играет существенной роли, так как при преобразовании происходит точное соответствие частоты сопротивлению термистора, а значит, и температуре.

На рисунке 1 показана графическая зависимость сопротивления термистора от температуры (взятая из технических данных производителя). Для нашей конструкции мы использовали два одинаковых термистора NTC с типичным сопротивлением 10 кОм при 25 ° C.

Основная идея прямого преобразования температурного сигнала в выходной цифровой сигнал пропорциональной частоты заключается в использовании термистора R1 вместе с конденсатором С1 в частотозадающей R1C1-цепи генератора, как части классического кольца. осциллятор, использующий три логических элемента «И-НЕ». Постоянная времени R1C1 зависит от температуры, потому что при изменении температуры сопротивление термистора соответственно изменится.

Частоту выходного цифрового сигнала можно рассчитать по формуле 1.

Шаг 2: преобразователи температуры в частоту на базе SLG46108V

К генератору этого типа обычно добавляется резистор R2 для ограничения тока через входные диоды и уменьшения нагрузки на входные элементы схемы. Если значение сопротивления R2 намного меньше, чем сопротивление R1, то это фактически не влияет на частоту генерации.

Следовательно, на основе GreenPAK SLG46108V были сконструированы два варианта преобразователя температуры в частоту (см. Рисунок 5). Схема применения этих датчиков представлена на рисунке 3.

Конструкция, как мы уже сказали, довольно проста, она представляет собой цепочку из трех элементов NAND, которые образуют кольцевой генератор (см. Рисунок 4 и рисунок 2) с одним цифровым входом (PIN # 3) и двумя цифровыми выходами (PIN # 6 и PIN # 8) для подключения к внешней цепи.

На фото на Рисунке 5 показаны активные датчики температуры (монета в один цент для шкалы).

Шаг 3: измерения

Были проведены измерения, чтобы оценить правильность работы этих активных датчиков температуры. Наш датчик температуры помещался в контролируемую камеру, температуру внутри которой можно было изменять с точностью до 0,5 ° С. Была записана частота выходного цифрового сигнала, результаты представлены на рисунке 6.

Как видно из представленного графика, измерения частоты (зеленый и синий треугольники) почти полностью совпадают с теоретическими значениями (черные и красные линии) согласно формуле 1, приведенной выше. Следовательно, этот метод преобразования температуры в частоту работает правильно.

Шаг 4: Третий активный датчик температуры на основе SLG46620V

Также был построен третий активный датчик температуры (см. Рисунок 7), чтобы продемонстрировать возможность простой обработки с видимой индикацией температуры. Используя GreenPAK SLG46620V, который содержит 10 элементов задержки, мы построили десять частотных детекторов (см. Рисунок 9), каждый из которых настроен на обнаружение сигнала одной конкретной частоты. Таким образом, мы сконструировали простой термометр с десятью настраиваемыми точками индикации.

На рисунке 8 показана схема верхнего уровня активного датчика с индикаторами для десяти точек температуры. Эта дополнительная функция удобна тем, что позволяет визуально оценить значение температуры без отдельного анализа генерируемого цифрового сигнала.

Выводы

В этом руководстве мы предложили метод преобразования аналогового сигнала датчика температуры в частотно-модулированный цифровой сигнал с использованием продуктов GreenPAK от Dialog. Использование термисторов в сочетании с GreenPAK позволяет проводить предсказуемые измерения без использования дорогостоящих аналого-цифровых преобразователей и без необходимости измерения аналоговых сигналов. GreenPAK - идеальное решение для разработки этого типа настраиваемого датчика, как показано на примерах прототипа, созданных и испытанных. GreenPAK содержит большое количество функциональных элементов и схемных блоков, необходимых для реализации различных схемотехнических решений, что значительно сокращает количество внешних компонентов конечной прикладной схемы. Низкое энергопотребление, небольшой размер микросхемы и низкая стоимость являются дополнительным преимуществом при выборе GreenPAK в качестве основного контроллера для многих схемотехнических решений.