DIY převodník teploty na frekvenci: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Teplotní senzory jsou jedním z nejdůležitějších druhů fyzických senzorů, protože mnoho různých procesů (i v každodenním životě) je regulováno teplotou. Kromě toho měření teploty umožňuje nepřímé stanovení dalších fyzikálních parametrů, jako je průtok hmoty, hladina kapaliny atd. Senzory obvykle převádějí naměřenou fyzickou hodnotu na analogový signál a teplotní senzory zde nejsou výjimkou. Pro zpracování procesorem nebo počítačem musí být analogový teplotní signál převeden do digitální podoby. Pro takovou konverzi se běžně používají drahé analogově-todigitální převodníky (ADC).

Účelem tohoto Instructable je vyvinout a představit zjednodušenou techniku pro přímou konverzi analogového signálu z teplotního senzoru na digitální signál s proporcionální frekvencí pomocí GreenPAK ™. Následně lze frekvenci digitálního signálu, která se mění v závislosti na teplotě, snadněji měřit s poměrně vysokou přesností a poté převádět na požadované jednotky měření. Taková přímá transformace je v první řadě zajímavá tím, že není třeba používat drahé převodníky analogových signálů na digitální. Digitální přenos signálu je také spolehlivější než analogový.

Níže jsme popsali potřebné kroky, abychom pochopili, jak byl čip GreenPAK naprogramován tak, aby vytvořil měnič teploty na frekvenci. Pokud však chcete získat pouze výsledek programování, stáhněte si software GreenPAK a zobrazte již dokončený soubor návrhu GreenPAK. Připojte vývojovou sadu GreenPAK k počítači a spusťte program a vytvořte vlastní IC pro převodník teploty na frekvenci.

Krok 1: Analýza návrhu

V závislosti na konkrétních požadavcích, především v teplotním rozsahu a přesnosti, lze použít různé typy teplotních senzorů a jejich obvody zpracování signálu. Nejrozšířenější jsou NTC termistory, které s rostoucí teplotou snižují hodnotu svého elektrického odporu (viz obrázek 1). Ve srovnání s kovovými odporovými senzory (RTD) mají výrazně vyšší teplotní koeficient odporu a stojí mnohem méně. Hlavní nevýhodou termistorů je jejich nelineární závislost na charakteristice „odpor vs. teplota“. V našem případě to nehraje významnou roli, protože během převodu existuje přesná shoda frekvence s odporem termistoru, a tedy s teplotou.

Obrázek 1 ukazuje grafickou závislost odporu termistoru na teplotě (které byly převzaty z katalogových listů výrobce). Pro náš návrh jsme použili dva podobné NTC termistory s typickým odporem 10 kOhm při 25 ° C.

Základní myšlenkou přímé transformace teplotního signálu na výstupní digitální signál proporcionální frekvence je použití termistoru R1 společně s kondenzátorem C1 v obvodu R1C1 generátoru nastavujícího frekvenci jako součást klasického prstence oscilátor využívající tři logické prvky „NAND“. Časová konstanta R1C1 závisí na teplotě, protože při změně teploty se odpovídajícím způsobem změní odpor termistoru.

Frekvenci výstupního digitálního signálu lze vypočítat pomocí vzorce 1.

Krok 2: Převodníky teploty na frekvenci založené na SLG46108V

Tento typ oscilátoru obvykle přidává odpor R2, který omezuje proud vstupními diodami a snižuje zatížení vstupních prvků obvodu. Pokud je hodnota odporu R2 mnohem menší než odpor R1, pak to ve skutečnosti neovlivňuje generační frekvenci.

V důsledku toho byly na základě GreenPAK SLG46108V zkonstruovány dvě varianty převodníku teploty na frekvenci (viz obrázek 5). Aplikační obvod těchto senzorů je uveden na obrázku 3.

Konstrukce, jak jsme již řekli, je poměrně jednoduchá, jedná se o řetězec tří prvků NAND, které tvoří prstencový oscilátor (viz obrázek 4 a obrázek 2) s jedním digitálním vstupem (PIN#3) a dvěma digitálními výstupy (PIN #6 a PIN#8) pro připojení k externím obvodům.

Fotografická místa na obrázku 5 zobrazují aktivní teplotní senzory (jedna centová mince je pro měřítko).

Krok 3: Měření

Byla provedena měření za účelem vyhodnocení správné funkce těchto aktivních teplotních senzorů. Náš teplotní senzor byl umístěn v řízené komoře, jejíž teplotu lze uvnitř měnit s přesností 0,5 ° С. Byla zaznamenána frekvence výstupního digitálního signálu a výsledky jsou uvedeny na obrázku 6.

Jak je patrné z uvedeného grafu, měření frekvence (zelené a modré trojúhelníky) se téměř úplně shodují s teoretickými hodnotami (černé a červené čáry) podle výše uvedeného vzorce 1. V důsledku toho tento způsob převodu teploty na frekvenci funguje správně.

Krok 4: Třetí aktivní teplotní senzor založený na SLG46620V

Rovněž byl postaven třetí aktivní teplotní senzor (viz obrázek 7), který demonstroval možnost jednoduchého zpracování s viditelnou indikací teploty. Pomocí GreenPAK SLG46620V, který obsahuje 10 zpožďovacích prvků, jsme postavili deset frekvenčních detektorů (viz obrázek 9), z nichž každý je nakonfigurován tak, aby detekoval signál jedné konkrétní frekvence. Tímto způsobem jsme zkonstruovali jednoduchý teploměr s deseti přizpůsobitelnými indikačními body.

Obrázek 8 ukazuje schéma nejvyšší úrovně aktivního snímače s indikátory zobrazení pro deset teplotních bodů. Tato doplňková funkce je výhodná, protože je možné vizuálně odhadnout hodnotu teploty bez samostatné analýzy generovaného digitálního signálu.

Závěry

V tomto Instructable jsme navrhli způsob převodu analogového signálu teplotního senzoru na frekvenčně modulovaný digitální signál pomocí produktů GreenPAK od společnosti Dialog. Použití termistorů ve spojení s GreenPAK umožňuje předvídatelná měření bez použití drahých analogově-digitálních převodníků a vyhýbá se požadavku na měření analogových signálů. GreenPAK je ideálním řešením pro vývoj tohoto typu přizpůsobitelných senzorů, jak je ukázáno na příkladech prototypů vyrobených a testovaných. GreenPAK obsahuje velké množství funkčních prvků a bloků obvodů nezbytných pro implementaci různých obvodových řešení, což výrazně snižuje počet externích komponent konečného aplikačního obvodu. Nízká spotřeba energie, malá velikost čipu a nízké náklady jsou dalším bonusem pro výběr GreenPAK jako hlavního řadiče pro mnoho návrhů obvodů.