Convertidor de temperatura a freqüència de bricolatge: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Els sensors de temperatura són un dels tipus de sensors físics més importants, perquè molts processos diferents (també en la vida quotidiana) estan regulats per la temperatura. A més, la mesura de temperatura permet determinar indirectament altres paràmetres físics, com ara el cabal de matèria, el nivell de fluid, etc. Normalment, els sensors converteixen el valor físic mesurat en un senyal analògic i els sensors de temperatura no són una excepció aquí. Per al processament per la CPU o l'ordinador, el senyal de temperatura analògica s'ha de convertir en un format digital. Per a aquesta conversió, s’utilitzen habitualment convertidors analògics-todigitals (ADC) cars.

El propòsit d’aquest instructiu és desenvolupar i presentar una tècnica simplificada per a la conversió directa del senyal analògic d’un sensor de temperatura en un senyal digital amb freqüència proporcional mitjançant GreenPAK ™. Posteriorment, la freqüència d'un senyal digital que varia en funció de la temperatura es pot mesurar més fàcilment amb una precisió bastant alta i convertir-la a les unitats de mesura necessàries. Aquesta transformació directa és interessant en primer lloc pel fet que no és necessari l’ús de costosos convertidors analògics a digitals. A més, la transmissió de senyal digital és més fiable que l'analògica.

A continuació, es descriuen els passos necessaris per entendre com s'ha programat el xip GreenPAK per crear el convertidor de temperatura a freqüència. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l'ordinador i premeu el programa per crear el CI personalitzat per al convertidor de temperatura a freqüència.

Pas 1: anàlisi del disseny

Es poden utilitzar diferents tipus de sensors de temperatura i els seus circuits de processament de senyal en funció de requisits específics, principalment en el rang de temperatura i la precisió. Els més utilitzats són els termistors NTC, que redueixen el valor de la seva resistència elèctrica amb l’augment de la temperatura (vegeu la figura 1). Tenen un coeficient de resistència de temperatura significativament superior en comparació amb els sensors resistius metàl·lics (RTD) i costen molt menys. El principal desavantatge dels termistors és la seva dependència no lineal de la característica "resistència vs. temperatura". En el nostre cas, això no juga un paper significatiu, ja que durant la conversió hi ha una correspondència exacta de la freqüència amb la resistència del termistor i, per tant, de la temperatura.

La figura 1 mostra la dependència gràfica de la resistència del termistor enfront de la temperatura (que es van prendre de les fitxes tècniques del fabricant). Per al nostre disseny, hem utilitzat dos termistors NTC similars amb una resistència típica de 10 kOhm a 25 ° C.

La idea bàsica de la transformació directa del senyal de temperatura en el senyal digital de sortida d’una freqüència proporcional és l’ús del termistor R1 juntament amb el condensador C1 al circuit de configuració de freqüència R1C1 del generador, com a part d’un anell clàssic. oscil·lador amb tres elements lògics “NAND”. La constant de temps de R1C1 depèn de la temperatura, perquè quan la temperatura canvia, la resistència del termistor canviarà en conseqüència.

La freqüència del senyal digital de sortida es pot calcular mitjançant la Fórmula 1.

Pas 2: convertidors de temperatura a freqüència basats en SLG46108V

Aquest tipus d'oscil·lador normalment afegeix una resistència R2 per limitar el corrent a través dels díodes d'entrada i reduir la càrrega en els elements d'entrada del circuit. Si el valor de resistència de R2 és molt menor que la resistència de R1, en realitat no afecta la freqüència de generació.

En conseqüència, basant-se en el GreenPAK SLG46108V, es van construir dues variants del convertidor de temperatura a freqüència (vegeu la figura 5). El circuit d'aplicació d'aquests sensors es presenta a la figura 3.

El disseny, com ja hem dit, és bastant senzill, es tracta d’una cadena de tres elements NAND que formen un oscil·lador anular (vegeu la figura 4 i la figura 2) amb una entrada digital (PIN # 3) i dues sortides digitals (PIN # 6 i PIN # 8) per a la connexió a circuits externs.

Els llocs de fotos de la figura 5 mostren els sensors de temperatura actius (una moneda d’un cèntim és per a escala).

Pas 3: Mesures

Es van fer mesures per avaluar el correcte funcionament d’aquests sensors de temperatura actius. El nostre sensor de temperatura es va col·locar en una cambra controlada, la temperatura a l'interior de la qual es podia canviar amb una precisió de 0,5 ° С. Es va registrar la freqüència del senyal digital de sortida i els resultats es presenten a la figura 6.

Com es pot veure a la gràfica que es mostra, les mesures de freqüència (triangles verds i blaus) coincideixen gairebé completament amb els valors teòrics (línies negres i vermelles) segons la Fórmula 1 indicada anteriorment. En conseqüència, aquest mètode de conversió de la temperatura en freqüència funciona correctament.

Pas 4: tercer sensor de temperatura actiu basat en SLG46620V

A més, es va construir un tercer sensor de temperatura actiu (vegeu la figura 7) per demostrar la possibilitat d’un processament senzill amb indicació de temperatura visible. Utilitzant el GreenPAK SLG46620V, que conté 10 elements de retard, hem construït deu detectors de freqüència (vegeu la figura 9), cadascun dels quals està configurat per detectar un senyal d’una freqüència concreta. D’aquesta manera, vam construir un termòmetre senzill amb deu punts d’indicació personalitzables.

La figura 8 mostra l’esquema de nivell superior del sensor actiu amb indicadors de visualització de deu punts de temperatura. Aquesta funció addicional és convenient perquè és possible estimar visualment el valor de la temperatura sense analitzar per separat el senyal digital generat.

Conclusions

En aquesta instrucció, vam proposar un mètode per convertir un senyal analògic del sensor de temperatura en un senyal digital modulat en freqüència mitjançant els productes GreenPAK de Dialog. L'ús de termistors juntament amb GreenPAK permet mesuraments predicibles sense l'ús de costosos convertidors analògics a digitals i evitant el requisit de mesurar els senyals analògics. GreenPAK és la solució ideal per al desenvolupament d’aquest tipus de sensor personalitzable, tal com es mostra en els exemples de prototips construïts i provats. GreenPAK conté un gran nombre d'elements funcionals i blocs de circuits necessaris per a la implementació de diverses solucions de circuits, i això redueix considerablement el nombre de components externs del circuit d'aplicació final. El baix consum d'energia, la petita mida del xip i el baix cost són un avantatge addicional per triar GreenPAK com a controlador principal per a molts dissenys de circuits.