DIY prevodník teploty na frekvenciu: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Teplotné senzory sú jedným z najdôležitejších typov fyzických senzorov, pretože mnoho rôznych procesov (aj v každodennom živote) je regulovaných teplotou. Okrem toho meranie teploty umožňuje nepriame stanovenie ďalších fyzikálnych parametrov, ako je prietok hmoty, hladina tekutiny atď. Senzory zvyčajne prevádzajú nameranú fyzickú hodnotu na analógový signál a teplotné snímače tu nie sú výnimkou. Na spracovanie pomocou CPU alebo počítača musí byť analógový teplotný signál prevedený do digitálnej podoby. Na takúto konverziu sa bežne používajú drahé analógovo-todigitálne prevodníky (ADC).

Účelom tohto návodu je vyvinúť a predstaviť zjednodušenú techniku na priamu konverziu analógového signálu z teplotného snímača na digitálny signál s proporcionálnou frekvenciou pomocou GreenPAK ™. Následne je možné frekvenciu digitálneho signálu, ktorá sa líši v závislosti od teploty, ľahšie merať s pomerne vysokou presnosťou a potom prevádzať na požadované jednotky merania. Takáto priama transformácia je v prvom rade zaujímavá tým, že nie je potrebné používať drahé analógovo-digitálne prevodníky. Digitálny prenos signálu je tiež spoľahlivejší ako analógový.

Ďalej sme popísali potrebné kroky, aby ste pochopili, ako bol čip GreenPAK naprogramovaný na vytváranie meniča teploty na frekvenciu. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustite program, aby ste vytvorili vlastný IC pre prevodník teploty na frekvenciu.

Krok 1: Analýza návrhu

V závislosti od konkrétnych požiadaviek, predovšetkým v teplotnom rozsahu a presnosti, je možné použiť rôzne typy teplotných senzorov a ich obvody na spracovanie signálu. Najpoužívanejšími sú NTC termistory, ktoré so zvyšujúcou sa teplotou znižujú hodnotu svojho elektrického odporu (pozri obrázok 1). V porovnaní s kovovými odporovými snímačmi (RTD) majú výrazne vyšší teplotný koeficient odporu a stoja oveľa menej. Hlavnou nevýhodou termistorov je ich nelineárna závislosť na charakteristike „odpor vs. teplota“. V našom prípade to nehrá významnú úlohu, pretože počas konverzie existuje presná zhoda frekvencie s odporom termistora, a teda s teplotou.

Obrázok 1 ukazuje grafickú závislosť odporu termistora od teploty (ktoré boli prevzaté z technických listov výrobcu). Pre náš návrh sme použili dva podobné NTC termistory s typickým odporom 10 kOhm pri 25 ° C.

Základnou myšlienkou priamej transformácie teplotného signálu na výstupný digitálny signál proporcionálnej frekvencie je použitie termistora R1 spolu s kondenzátorom C1 v obvode R1C1 generátora s nastavovaním frekvencie ako súčasť klasického prstenca oscilátor využívajúci tri logické prvky „NAND“. Časová konštanta R1C1 závisí od teploty, pretože pri zmene teploty sa zodpovedajúcim spôsobom zmení aj odpor termistora.

Frekvenciu výstupného digitálneho signálu je možné vypočítať podľa vzorca 1.

Krok 2: Meniče teploty na frekvenciu založené na SLG46108V

Tento typ oscilátora zvyčajne pridáva odpor R2 na obmedzenie prúdu cez vstupné diódy a zníženie zaťaženia vstupných prvkov obvodu. Ak je hodnota odporu R2 oveľa menšia ako odpor R1, potom to v skutočnosti neovplyvňuje frekvenciu generovania.

V dôsledku toho boli na základe GreenPAK SLG46108V skonštruované dva varianty prevodníka teploty na frekvenciu (pozri obrázok 5). Aplikačný obvod týchto senzorov je znázornený na obrázku 3.

Konštrukcia, ako sme už povedali, je celkom jednoduchá, je to reťazec troch prvkov NAND, ktoré tvoria kruhový oscilátor (pozri obrázok 4 a obrázok 2) s jedným digitálnym vstupom (PIN#3) a dvoma digitálnymi výstupmi (PIN #6 a PIN#8) na pripojenie k externým obvodom.

Miesta fotografií na obrázku 5 zobrazujú aktívne snímače teploty (jedna centová minca je mierka).

Krok 3: Merania

Vykonali sa merania na vyhodnotenie správnej funkcie týchto aktívnych snímačov teploty. Náš teplotný senzor bol umiestnený v riadenej komore, teplotu v ktorej bolo možné meniť s presnosťou 0,5 ° С. Zaznamenala sa frekvencia výstupného digitálneho signálu a výsledky sú uvedené na obrázku 6.

Ako je zrejmé z uvedeného grafu, frekvenčné merania (zelené a modré trojuholníky) sa takmer úplne zhodujú s teoretickými hodnotami (čierne a červené čiary) podľa vyššie uvedeného vzorca 1. V dôsledku toho tento spôsob prevodu teploty na frekvenciu funguje správne.

Krok 4: Tretí aktívny snímač teploty na báze SLG46620V

Bol tiež postavený tretí aktívny teplotný senzor (pozri obrázok 7), aby demonštroval možnosť jednoduchého spracovania s viditeľnou indikáciou teploty. Pomocou zariadenia GreenPAK SLG46620V, ktoré obsahuje 10 oneskorovacích prvkov, sme postavili desať frekvenčných detektorov (pozri obrázok 9), z ktorých každý je nakonfigurovaný na detekciu signálu jednej konkrétnej frekvencie. Týmto spôsobom sme skonštruovali jednoduchý teplomer s desiatimi prispôsobiteľnými indikačnými bodmi.

Obrázok 8 zobrazuje schému najvyššej úrovne aktívneho senzora s indikátormi pre desať teplotných bodov. Táto doplnková funkcia je výhodná, pretože je možné vizuálne odhadnúť hodnotu teploty bez samostatnej analýzy generovaného digitálneho signálu.

Závery

V tomto návode sme navrhli spôsob konverzie analógového signálu snímača teploty na frekvenčne modulovaný digitálny signál pomocou produktov GreenPAK od spoločnosti Dialog. Použitie termistorov v spojení s GreenPAK umožňuje predvídateľné merania bez použitia drahých analógovo-digitálnych prevodníkov a vyhýba sa požiadavke na meranie analógových signálov. GreenPAK je ideálnym riešením pre vývoj tohto typu prispôsobiteľného snímača, ako je znázornené na prototypových príkladoch vyrobených a testovaných. GreenPAK obsahuje veľké množstvo funkčných prvkov a blokov obvodov potrebných na implementáciu rôznych obvodových riešení, čo výrazne znižuje počet externých komponentov konečného aplikačného obvodu. Nízka spotreba energie, malá veľkosť čipu a nízke náklady sú ďalším bonusom pri výbere GreenPAK ako hlavného radiča pre mnoho návrhov obvodov.