DIY temperatuur-naar-frequentieomvormer: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Temperatuursensoren zijn een van de belangrijkste soorten fysieke sensoren, omdat veel verschillende processen (ook in het dagelijks leven) door temperatuur worden geregeld. Bovendien maakt de temperatuurmeting indirecte bepaling mogelijk van andere fysieke parameters, zoals materiestroom, vloeistofniveau, enz. Meestal zetten sensoren de gemeten fysieke waarde om in een analoog signaal, en temperatuursensoren vormen hier geen uitzondering. Voor verwerking door de CPU of computer moet het analoge temperatuursignaal worden omgezet in een digitale vorm. Voor een dergelijke conversie worden vaak dure analoog-digitaalomzetters (ADC's) gebruikt.

Het doel van deze Instructable is het ontwikkelen en presenteren van een vereenvoudigde techniek voor directe conversie van het analoge signaal van een temperatuursensor in een digitaal signaal met proportionele frequentie met behulp van GreenPAK™. Vervolgens kan de frequentie van een digitaal signaal dat afhankelijk is van de temperatuur gemakkelijker worden gemeten met een vrij hoge nauwkeurigheid en vervolgens worden omgezet in de vereiste meeteenheden. Een dergelijke directe transformatie is in de eerste plaats interessant omdat er geen dure analoog-digitaalomzetters nodig zijn. Ook is digitale signaaloverdracht betrouwbaarder dan analoog.

Hieronder hebben we de stappen beschreven die nodig zijn om te begrijpen hoe de GreenPAK-chip is geprogrammeerd om de temperatuur-naar-frequentieomvormer te creëren. Als u echter alleen het resultaat van het programmeren wilt hebben, download dan GreenPAK-software om het reeds voltooide GreenPAK-ontwerpbestand te bekijken. Sluit de GreenPAK Development Kit aan op uw computer en druk op programma om de aangepaste IC voor de temperatuur-naar-frequentieomvormer te maken.

Stap 1: Ontwerpanalyse

Verschillende soorten temperatuursensoren en hun signaalverwerkingscircuits kunnen worden gebruikt, afhankelijk van specifieke vereisten, voornamelijk in temperatuurbereik en nauwkeurigheid. De meest gebruikte zijn NTC-thermistors, die de waarde van hun elektrische weerstand verminderen bij toenemende temperatuur (zie afbeelding 1). Ze hebben een aanzienlijk hogere temperatuurweerstandscoëfficiënt in vergelijking met metalen resistieve sensoren (RTD's) en ze kosten veel minder. Het belangrijkste nadeel van thermistoren is hun niet-lineaire afhankelijkheid van de karakteristieke "weerstand versus temperatuur". In ons geval speelt dit geen significante rol, omdat er tijdens de conversie een exacte overeenkomst is tussen de frequentie en de thermistorweerstand, en dus de temperatuur.

Figuur 1 toont de grafische afhankelijkheid van de weerstand van de thermistor versus de temperatuur (die zijn overgenomen uit de gegevensbladen van de fabrikant). Voor ons ontwerp hebben we twee vergelijkbare NTC-thermistors gebruikt met een typische weerstand van 10 kOhm bij 25 °C.

Het basisidee van de directe transformatie van het temperatuursignaal in het digitale uitgangssignaal van een proportionele frequentie is het gebruik van de thermistor R1 samen met de condensator C1 in het frequentie-instellende R1C1-circuit van de generator, als onderdeel van een klassieke ring oscillator met behulp van drie "NAND" logische elementen. De tijdconstante van R1C1 is afhankelijk van de temperatuur, want wanneer de temperatuur verandert, verandert de weerstand van de thermistor dienovereenkomstig.

De frequentie van het digitale uitgangssignaal kan worden berekend met formule 1.

Stap 2: Temperatuur-naar-frequentieomvormers op basis van SLG46108V

Dit type oscillator voegt typisch een weerstand R2 toe om de stroom door de ingangsdiodes te beperken en de belasting van de ingangselementen van het circuit te verminderen. Als de weerstandswaarde van R2 veel kleiner is dan de weerstand van R1, dan heeft dit geen daadwerkelijke invloed op de generatiefrequentie.

Daarom werden op basis van de GreenPAK SLG46108V twee varianten van de temperatuur-naar-frequentieomvormer geconstrueerd (zie afbeelding 5). Het toepassingscircuit van deze sensoren wordt weergegeven in figuur 3.

Het ontwerp is, zoals we al zeiden, vrij eenvoudig, het is een keten van drie NAND-elementen die een ringoscillator vormen (zie figuur 4 en figuur 2) met één digitale ingang (PIN#3) en twee digitale uitgangen (PIN #6 en PIN #8) voor aansluiting op externe circuits.

Fotoplaatsen in figuur 5 tonen de actieve temperatuursensoren (een munt van één cent is voor schaal).

Stap 3: Metingen

Er werden metingen gedaan om de correcte werking van deze actieve temperatuursensoren te evalueren. Onze temperatuursensor werd in een gecontroleerde kamer geplaatst, waarvan de temperatuur binnenin kon worden veranderd tot een nauwkeurigheid van 0,5 °С. De frequentie van het digitale uitgangssignaal werd geregistreerd en de resultaten worden weergegeven in figuur 6.

Zoals uit de getoonde grafiek blijkt, vallen de frequentiemetingen (groene en blauwe driehoeken) bijna volledig samen met de theoretische waarden (zwarte en rode lijnen) volgens bovenstaande formule 1. Bijgevolg werkt deze methode om temperatuur naar frequentie om te zetten correct.

Stap 4: Derde actieve temperatuursensor op basis van SLG46620V

Ook werd een derde actieve temperatuursensor gebouwd (zie figuur 7) om de mogelijkheid van eenvoudige verwerking met zichtbare temperatuurindicatie te demonstreren. Met behulp van de GreenPAK SLG46620V, die 10 vertragingselementen bevat, hebben we tien frequentiedetectoren gebouwd (zie afbeelding 9), die elk zijn geconfigureerd om een signaal van een bepaalde frequentie te detecteren. Op deze manier hebben we een eenvoudige thermometer geconstrueerd met tien aanpasbare indicatiepunten.

Afbeelding 8 toont het schema op het hoogste niveau van de actieve sensor met display-indicatoren voor tien temperatuurpunten. Deze extra functie is handig omdat het mogelijk is om de temperatuurwaarde visueel te schatten zonder het gegenereerde digitale signaal afzonderlijk te analyseren.

conclusies

In deze Instructable hebben we een methode voorgesteld voor het omzetten van een analoog signaal van een temperatuursensor in een frequentiegemoduleerd digitaal signaal met behulp van GreenPAK-producten van Dialog. Het gebruik van thermistoren in combinatie met GreenPAK maakt voorspelbare metingen mogelijk zonder het gebruik van dure analoog-naar-digitaal-omzetters, en het vermijden van de noodzaak om de analoge signalen te meten. GreenPAK is de ideale oplossing voor de ontwikkeling van dit type aanpasbare sensor, zoals te zien is in de prototypevoorbeelden die zijn gebouwd en getest. GreenPAK bevat een groot aantal functionele elementen en circuitblokken die nodig zijn voor de implementatie van verschillende circuitoplossingen, en dit vermindert het aantal externe componenten van het uiteindelijke applicatiecircuit aanzienlijk. Laag stroomverbruik, kleine chipgrootte en lage kosten zijn een extra bonus voor het kiezen van GreenPAK als de hoofdcontroller voor veel circuitontwerpen.