DIY temperatur til frekvensomformer: 4 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Temperatursensorer er en af de vigtigste former for fysiske sensorer, fordi mange forskellige processer (også i hverdagen) reguleres af temperaturen. Desuden tillader temperaturmåling indirekte bestemmelse af andre fysiske parametre, såsom stofstrømningshastighed, væskeniveau osv. Typisk konverterer sensorer den målte fysiske værdi til et analogt signal, og temperatursensorer er ingen undtagelse her. For behandling med CPU eller computer skal det analoge temperatursignal konverteres til en digital form. Til en sådan konvertering bruges almindeligvis dyre analog-til-digital-omformere (ADC'er).

Formålet med denne Instructable er at udvikle og præsentere en forenklet teknik til direkte konvertering af det analoge signal fra en temperatursensor til et digitalt signal med proportionel frekvens ved hjælp af GreenPAK ™. Efterfølgende kan frekvensen af et digitalt signal, der varierer afhængigt af temperaturen, derefter lettere måles med en ret høj nøjagtighed og derefter konverteres til de nødvendige måleenheder. En sådan direkte transformation er i første omgang interessant ved, at der ikke er behov for brug af dyre analog-til-digitale omformere. Digital signaloverførsel er også mere pålidelig end analog.

Nedenfor beskrev vi de nødvendige trin for at forstå, hvordan GreenPAK -chippen er programmeret til at oprette temperatur til frekvensomformeren. Men hvis du bare vil få resultatet af programmeringen, skal du downloade GreenPAK -software for at se den allerede gennemførte GreenPAK -designfil. Tilslut GreenPAK Development Kit til din computer, og tryk på programmet for at oprette den brugerdefinerede IC til temperatur til frekvensomformeren.

Trin 1: Designanalyse

Forskellige typer temperatursensorer og deres signalbehandlingskredsløb kan bruges afhængigt af specifikke krav, primært inden for temperaturområde og nøjagtighed. De mest anvendte er NTC -termistorer, som reducerer værdien af deres elektriske modstand med stigende temperatur (se figur 1). De har en signifikant højere temperaturkoefficient for modstand sammenlignet med metalresistive sensorer (RTD'er), og de koster meget mindre. Den største ulempe ved termistorer er deres ikke -lineære afhængighed af den karakteristiske "modstand vs. temperatur". I vores tilfælde spiller dette ikke en væsentlig rolle, da der under konvertering er en nøjagtig korrespondance mellem frekvensen og termistormodstanden og derfor temperaturen.

Figur 1 viser den grafiske afhængighed af termistormodstand mod temperatur (som blev taget fra producentens datablade). Til vores design brugte vi to lignende NTC -termistorer med en typisk modstand på 10 kOhm ved 25 ° C.

Grundtanken med den direkte transformation af temperatursignalet til det digitale udgangssignal med en proportionel frekvens er brugen af termistoren R1 sammen med kondensatoren C1 i generatorens frekvensindstillende R1C1-kredsløb som en del af en klassisk ring oscillator ved hjælp af tre “NAND” logiske elementer. Tidskonstanten på R1C1 afhænger af temperaturen, for når temperaturen ændres, vil termistorens modstand ændre sig i overensstemmelse hermed.

Frekvensen af det udgående digitale signal kan beregnes ved hjælp af Formel 1.

Trin 2: Temperatur til frekvensomformere Baseret på SLG46108V

Denne type oscillator tilføjer typisk en modstand R2 for at begrænse strømmen gennem indgangsdioderne og reducere belastningen på kredsløbets inputelementer. Hvis modstandsværdien af R2 er meget mindre end modstanden for R1, påvirker den faktisk ikke generationsfrekvensen.

På grundlag af GreenPAK SLG46108V blev der derfor konstrueret to varianter af temperatur til frekvensomformeren (se figur 5). Anvendelseskredsløbet for disse sensorer er vist i figur 3.

Designet, som vi allerede har sagt, er ganske enkelt, det er en kæde af tre NAND -elementer, der danner en ringoscillator (se figur 4 og figur 2) med en digital indgang (PIN#3) og to digitale udgange (PIN #6 og PIN#8) til forbindelse til eksterne kredsløb.

Foto steder i figur 5 viser de aktive temperatursensorer (en cent cent er beregnet til skala).

Trin 3: Målinger

Der blev foretaget målinger for at evaluere den korrekte funktion af disse aktive temperatursensorer. Vores temperatursensor blev placeret i et kontrolleret kammer, hvis temperatur inde kunne ændres til en nøjagtighed på 0,5 ° С. Frekvensen af det digitale output blev registreret, og resultaterne er vist i figur 6.

Som det kan ses af det viste plot, falder frekvensmålingerne (grønne og blå trekanter) næsten fuldstændigt sammen med de teoretiske værdier (sorte og røde linjer) i henhold til Formel 1 ovenfor. Derfor fungerer denne metode til at konvertere temperatur til frekvens korrekt.

Trin 4: Tredje aktive temperatursensor baseret på SLG46620V

Der blev også bygget en tredje aktiv temperatursensor (se figur 7) for at demonstrere muligheden for enkel behandling med synlig temperaturindikation. Ved hjælp af GreenPAK SLG46620V, som indeholder 10 forsinkelseselementer, har vi bygget ti frekvensdetektorer (se figur 9), som hver er konfigureret til at detektere et signal med en bestemt frekvens. På denne måde konstruerede vi et simpelt termometer med ti indikationspunkter, der kan tilpasses.

Figur 8 viser den øverste niveauskema for den aktive sensor med displayindikatorer for ti temperaturpunkter. Denne ekstra funktion er praktisk, fordi det er muligt visuelt at estimere temperaturværdien uden at analysere det genererede digitale signal separat.

Konklusioner

I denne Instructable foreslog vi en metode til at konvertere et temperatursensors analoge signal til et frekvensmoduleret digitalt signal ved hjælp af GreenPAK -produkter fra Dialog. Brugen af termistorer i forbindelse med GreenPAK tillader forudsigelige målinger uden brug af dyre analog-til-digitale omformere og undgår kravet om måling af de analoge signaler. GreenPAK er den ideelle løsning til udvikling af denne type tilpasselige sensorer, som vist i prototypeeksemplerne konstrueret og testet. GreenPAK indeholder et stort antal funktionelle elementer og kredsløb, der er nødvendige for implementering af forskellige kredsløbsløsninger, og dette reducerer i høj grad antallet af eksterne komponenter i det endelige applikationskredsløb. Lavt strømforbrug, lille chipstørrelse og lave omkostninger er en ekstra bonus for at vælge GreenPAK som hovedcontroller til mange kredsløbssignaler.