Bộ chuyển đổi nhiệt độ sang tần số tự làm: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Cảm biến nhiệt độ là một trong những loại cảm biến vật lý quan trọng nhất, bởi vì nhiều quá trình khác nhau (trong cuộc sống hàng ngày) đều được điều chỉnh bởi nhiệt độ. Bên cạnh đó, phép đo nhiệt độ cho phép xác định gián tiếp các thông số vật lý khác, chẳng hạn như tốc độ dòng vật chất, mức chất lỏng, … Thông thường, cảm biến chuyển đổi giá trị vật lý đo được thành tín hiệu tương tự và cảm biến nhiệt độ cũng không ngoại lệ ở đây. Để xử lý bởi CPU hoặc máy tính, tín hiệu nhiệt độ tương tự phải được chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số. Đối với một chuyển đổi như vậy, các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) đắt tiền thường được sử dụng.

Mục đích của Tài liệu hướng dẫn này là phát triển và trình bày một kỹ thuật đơn giản để chuyển đổi trực tiếp tín hiệu tương tự từ cảm biến nhiệt độ thành tín hiệu kỹ thuật số với tần số tỷ lệ bằng cách sử dụng GreenPAK ™. Sau đó, tần số của tín hiệu kỹ thuật số thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ sau đó có thể được đo dễ dàng hơn với độ chính xác khá cao và sau đó được chuyển đổi sang các đơn vị đo yêu cầu. Việc chuyển đổi trực tiếp như vậy là thú vị ngay từ đầu bởi thực tế là không cần sử dụng các bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số đắt tiền. Ngoài ra, việc truyền tín hiệu kỹ thuật số đáng tin cậy hơn so với tín hiệu tương tự.

Dưới đây, chúng tôi mô tả các bước cần thiết để hiểu cách chip GreenPAK đã được lập trình để tạo ra bộ chuyển đổi nhiệt độ thành tần số. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn chương trình để tạo IC tùy chỉnh cho bộ chuyển đổi nhiệt độ sang tần số.

Bước 1: Phân tích thiết kế

Các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau và các mạch xử lý tín hiệu của chúng có thể được sử dụng tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể, chủ yếu về phạm vi nhiệt độ và độ chính xác. Được sử dụng rộng rãi nhất là nhiệt điện trở NTC, làm giảm giá trị điện trở của chúng khi nhiệt độ tăng (xem Hình 1). Chúng có hệ số nhiệt độ cao hơn đáng kể so với cảm biến điện trở kim loại (RTD) và chúng có giá thấp hơn nhiều. Nhược điểm chính của nhiệt điện trở là sự phụ thuộc phi tuyến của chúng vào đặc tính "điện trở so với nhiệt độ". Trong trường hợp của chúng tôi, điều này không đóng một vai trò quan trọng vì trong quá trình chuyển đổi, có sự tương ứng chính xác của tần số với điện trở nhiệt điện trở, và do đó, nhiệt độ.

Hình 1 cho thấy sự phụ thuộc đồ họa của điện trở nhiệt điện trở so với nhiệt độ (được lấy từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất). Đối với thiết kế của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng hai nhiệt điện trở NTC tương tự với điện trở điển hình là 10 kOhm ở 25 ° C.

Ý tưởng cơ bản của việc biến đổi trực tiếp tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu kỹ thuật số đầu ra có tần số tỷ lệ thuận là việc sử dụng điện trở nhiệt R1 cùng với tụ điện C1 trong mạch R1C1 đặt tần số của máy phát điện, như một phần của vòng cổ điển. bộ tạo dao động sử dụng ba phần tử logic “NAND”. Hằng số thời gian của R1C1 phụ thuộc vào nhiệt độ, vì khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của nhiệt điện trở sẽ thay đổi theo.

Tần số của tín hiệu kỹ thuật số đầu ra có thể được tính bằng Công thức 1.

Bước 2: Bộ chuyển đổi nhiệt độ sang tần số dựa trên SLG46108V

Loại dao động này thường thêm một điện trở R2 để hạn chế dòng điện qua các điốt đầu vào và giảm tải cho các phần tử đầu vào của mạch. Nếu giá trị điện trở của R2 nhỏ hơn nhiều so với điện trở của R1 thì thực tế không ảnh hưởng đến tần số phát.

Do đó, dựa trên GreenPAK SLG46108V, hai biến thể của bộ chuyển đổi nhiệt độ thành tần số đã được xây dựng (xem Hình 5). Mạch ứng dụng của các cảm biến này được trình bày trong Hình 3.

Thiết kế, như chúng ta đã nói, khá đơn giản, nó là một chuỗi ba phần tử NAND tạo thành một bộ dao động vòng (xem Hình 4 và Hình 2) với một đầu vào kỹ thuật số (PIN # 3) và hai đầu ra kỹ thuật số (PIN # 6 và PIN # 8) để kết nối với mạch bên ngoài.

Các vị trí trong ảnh trong Hình 5 cho thấy các cảm biến nhiệt độ đang hoạt động (đồng một xu dùng cho quy mô).

Bước 3: Phép đo

Các phép đo được thực hiện để đánh giá chức năng chính xác của các cảm biến nhiệt độ đang hoạt động này. Cảm biến nhiệt độ của chúng tôi được đặt trong một buồng được kiểm soát, nhiệt độ bên trong có thể thay đổi đến độ chính xác 0,5 ° С. Tần số của tín hiệu số đầu ra được ghi lại và kết quả được trình bày trong Hình 6.

Như có thể thấy từ biểu đồ được hiển thị, các phép đo tần số (hình tam giác màu xanh lá cây và màu xanh lam) gần như hoàn toàn trùng khớp với các giá trị lý thuyết (đường màu đen và màu đỏ) theo Công thức 1 đã cho ở trên. Do đó, phương pháp chuyển đổi nhiệt độ thành tần số này đang hoạt động chính xác.

Bước 4: Cảm biến nhiệt độ hoạt động thứ ba dựa trên SLG46620V

Ngoài ra, một cảm biến nhiệt độ hoạt động thứ ba đã được xây dựng (xem Hình 7) để chứng minh khả năng xử lý đơn giản với chỉ báo nhiệt độ có thể nhìn thấy được. Sử dụng GreenPAK SLG46620V, chứa 10 phần tử trễ, chúng tôi đã xây dựng mười bộ dò tần số (xem Hình 9), mỗi bộ được cấu hình để phát hiện tín hiệu của một tần số cụ thể. Bằng cách này, chúng tôi đã chế tạo một nhiệt kế đơn giản với mười điểm chỉ thị có thể tùy chỉnh.

Hình 8 cho thấy sơ đồ mức cao nhất của cảm biến hoạt động với các chỉ báo hiển thị cho mười điểm nhiệt độ. Chức năng bổ sung này rất tiện lợi vì có thể ước tính trực quan giá trị nhiệt độ mà không cần phân tích riêng biệt tín hiệu kỹ thuật số được tạo ra.

Kết luận

Trong phần Có thể hướng dẫn này, chúng tôi đã đề xuất một phương pháp chuyển đổi tín hiệu tương tự cảm biến nhiệt độ thành tín hiệu kỹ thuật số được điều chế tần số bằng cách sử dụng các sản phẩm GreenPAK từ Dialog. Việc sử dụng nhiệt điện trở kết hợp với GreenPAK cho phép các phép đo có thể dự đoán được mà không cần sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số đắt tiền và tránh yêu cầu đo tín hiệu tương tự. GreenPAK là giải pháp lý tưởng để phát triển loại cảm biến có thể tùy chỉnh này, như được thể hiện trong các ví dụ nguyên mẫu được xây dựng và thử nghiệm. GreenPAK chứa một số lượng lớn các phần tử chức năng và các khối mạch cần thiết để thực hiện các giải pháp mạch khác nhau và điều này làm giảm đáng kể số lượng các thành phần bên ngoài của mạch ứng dụng cuối cùng. Tiêu thụ điện năng thấp, kích thước chip nhỏ và chi phí thấp là một điểm cộng cho việc chọn GreenPAK làm bộ điều khiển chính cho nhiều thiết kế mạch.