Convertitore temperatura-frequenza fai-da-te: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

I sensori di temperatura sono uno dei tipi più importanti di sensori fisici, perché molti processi diversi (anche nella vita quotidiana) sono regolati dalla temperatura. Inoltre, la misurazione della temperatura consente la determinazione indiretta di altri parametri fisici, come la portata della materia, il livello del fluido, ecc. In genere, i sensori convertono il valore fisico misurato in un segnale analogico e i sensori di temperatura non fanno eccezione. Per l'elaborazione da parte della CPU o del computer, il segnale di temperatura analogico deve essere convertito in formato digitale. Per tale conversione vengono comunemente utilizzati costosi convertitori analogico-digitali (ADC).

Lo scopo di questo Instructable è sviluppare e presentare una tecnica semplificata per la conversione diretta del segnale analogico da un sensore di temperatura in un segnale digitale con frequenza proporzionale utilizzando GreenPAK™. Successivamente, la frequenza di un segnale digitale che varia a seconda della temperatura può essere quindi più facilmente misurata con una precisione abbastanza elevata e quindi convertita nelle unità di misura richieste. Tale trasformazione diretta è interessante in primo luogo per il fatto che non è necessario l'uso di costosi convertitori analogico-digitale. Inoltre, la trasmissione del segnale digitale è più affidabile di quella analogica.

Di seguito abbiamo descritto i passaggi necessari per capire come è stato programmato il chip GreenPAK per creare il convertitore da temperatura a frequenza. Tuttavia, se desideri solo ottenere il risultato della programmazione, scarica il software GreenPAK per visualizzare il file di progettazione GreenPAK già completato. Collega il kit di sviluppo GreenPAK al tuo computer e premi il programma per creare il circuito integrato personalizzato per il convertitore da temperatura a frequenza.

Fase 1: Analisi del progetto

È possibile utilizzare diversi tipi di sensori di temperatura e i loro circuiti di elaborazione del segnale a seconda dei requisiti specifici, principalmente nell'intervallo di temperatura e nella precisione. I più utilizzati sono i termistori NTC, che riducono il valore della loro resistenza elettrica all'aumentare della temperatura (vedi Figura 1). Hanno un coefficiente di resistenza alla temperatura significativamente più alto rispetto ai sensori resistivi in metallo (RTD) e costano molto meno. Il principale svantaggio dei termistori è la loro dipendenza non lineare dalla caratteristica "resistenza rispetto alla temperatura". Nel nostro caso, questo non gioca un ruolo significativo poiché durante la conversione c'è un'esatta corrispondenza della frequenza con la resistenza del termistore, e quindi con la temperatura.

La Figura 1 mostra la dipendenza grafica della resistenza del termistore rispetto alla temperatura (che sono stati presi dai fogli dati del produttore). Per il nostro progetto, abbiamo utilizzato due termistori NTC simili con una resistenza tipica di 10 kOhm a 25 °C.

L'idea di base della trasformazione diretta del segnale di temperatura nel segnale digitale di uscita di una frequenza proporzionale è l'uso del termistore R1 insieme al condensatore C1 nel circuito di regolazione della frequenza R1C1 del generatore, come parte di un anello classico oscillatore che utilizza tre elementi logici “NAND”. La costante di tempo di R1C1 dipende dalla temperatura, perché quando la temperatura cambia, la resistenza del termistore cambierà di conseguenza.

La frequenza del segnale digitale in uscita può essere calcolata utilizzando la Formula 1.

Passaggio 2: convertitori da temperatura a frequenza basati su SLG46108V

Questo tipo di oscillatore aggiunge tipicamente un resistore R2 per limitare la corrente attraverso i diodi di ingresso e ridurre il carico sugli elementi di ingresso del circuito. Se il valore di resistenza di R2 è molto più piccolo della resistenza di R1, in realtà non influisce sulla frequenza di generazione.

Di conseguenza, sulla base del GreenPAK SLG46108V, sono state costruite due varianti del convertitore da temperatura a frequenza (vedere la Figura 5). Il circuito di applicazione di questi sensori è presentato in Figura 3.

Il design, come abbiamo già detto, è abbastanza semplice, è una catena di tre elementi NAND che formano un oscillatore ad anello (vedi Figura 4 e Figura 2) con un ingresso digitale (PIN#3) e due uscite digitali (PIN #6 e PIN#8) per il collegamento a circuiti esterni.

La foto posta nella Figura 5 mostra i sensori di temperatura attivi (una moneta da un centesimo è per la bilancia).

Passaggio 3: misurazioni

Sono state effettuate misurazioni per valutare il corretto funzionamento di questi sensori di temperatura attivi. Il nostro sensore di temperatura è stato collocato in una camera controllata, la cui temperatura all'interno poteva essere modificata con una precisione di 0,5 °С. La frequenza del segnale digitale in uscita è stata registrata e i risultati sono presentati nella Figura 6.

Come si può vedere dal grafico mostrato, le misure di frequenza (triangoli verdi e blu) coincidono quasi completamente con i valori teorici (linee nere e rosse) secondo la Formula 1 sopra riportata. Di conseguenza, questo metodo di conversione della temperatura in frequenza funziona correttamente.

Passaggio 4: terzo sensore di temperatura attivo basato su SLG46620V

Inoltre, è stato costruito un terzo sensore di temperatura attivo (vedi Figura 7) per dimostrare la possibilità di una semplice elaborazione con indicazione della temperatura visibile. Utilizzando GreenPAK SLG46620V, che contiene 10 elementi di ritardo, abbiamo costruito dieci rilevatori di frequenza (vedi Figura 9), ognuno dei quali è configurato per rilevare un segnale di una particolare frequenza. In questo modo abbiamo costruito un semplice termometro con dieci punti di indicazione personalizzabili.

La Figura 8 mostra lo schema di livello superiore del sensore attivo con indicatori di visualizzazione per dieci punti di temperatura. Questa funzione aggiuntiva è conveniente perché è possibile stimare visivamente il valore della temperatura senza analizzare separatamente il segnale digitale generato.

Conclusioni

In questo Instructable, abbiamo proposto un metodo per convertire un segnale analogico del sensore di temperatura in un segnale digitale a modulazione di frequenza utilizzando i prodotti GreenPAK di Dialog. L'uso di termistori in combinazione con GreenPAK consente misurazioni prevedibili senza l'uso di costosi convertitori analogico-digitali ed evitando la necessità di misurare i segnali analogici. GreenPAK è la soluzione ideale per lo sviluppo di questo tipo di sensore personalizzabile, come mostrato negli esempi di prototipi realizzati e testati. GreenPAK contiene un gran numero di elementi funzionali e blocchi circuitali necessari per l'implementazione di varie soluzioni circuitali, e questo riduce notevolmente il numero di componenti esterni del circuito applicativo finale. Il basso consumo energetico, le dimensioni ridotte del chip e il basso costo sono un ulteriore vantaggio per la scelta di GreenPAK come controller principale per molti progetti di circuiti.