Convertidor de temperatura a frecuencia de bricolaje: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Los sensores de temperatura son uno de los tipos más importantes de sensores físicos, porque muchos procesos diferentes (también en la vida cotidiana) están regulados por la temperatura. Además, la medición de temperatura permite la determinación indirecta de otros parámetros físicos, como el caudal de materia, el nivel de fluido, etc. Normalmente, los sensores convierten el valor físico medido en una señal analógica, y los sensores de temperatura no son una excepción aquí. Para el procesamiento por parte de la CPU o la computadora, la señal de temperatura analógica debe convertirse en una forma digital. Para tal conversión, se suelen utilizar convertidores analógicos a digitales (ADC) costosos.

El propósito de este Instructable es desarrollar y presentar una técnica simplificada para la conversión directa de la señal analógica de un sensor de temperatura en una señal digital con frecuencia proporcional usando GreenPAK ™. Posteriormente, la frecuencia de una señal digital que varía según la temperatura puede medirse más fácilmente con una precisión bastante alta y luego convertirse a las unidades de medida requeridas. Esta transformación directa es interesante en primer lugar por el hecho de que no es necesario el uso de costosos convertidores de analógico a digital. Además, la transmisión de señales digitales es más confiable que la analógica.

A continuación, describimos los pasos necesarios para comprender cómo se ha programado el chip GreenPAK para crear el convertidor de temperatura a frecuencia. Sin embargo, si solo desea obtener el resultado de la programación, descargue el software GreenPAK para ver el archivo de diseño GreenPAK ya completado. Conecte el kit de desarrollo GreenPAK a su computadora y presione el programa para crear el IC personalizado para el convertidor de temperatura a frecuencia.

Paso 1: análisis de diseño

Se pueden usar diferentes tipos de sensores de temperatura y sus circuitos de procesamiento de señales según los requisitos específicos, principalmente en el rango de temperatura y la precisión. Los más utilizados son los termistores NTC, que reducen el valor de su resistencia eléctrica al aumentar la temperatura (ver Figura 1). Tienen un coeficiente de temperatura de resistencia significativamente más alto en comparación con los sensores resistivos de metal (RTD) y cuestan mucho menos. La principal desventaja de los termistores es su dependencia no lineal de la característica "resistencia frente a temperatura". En nuestro caso, esto no juega un papel significativo ya que durante la conversión, existe una correspondencia exacta de la frecuencia con la resistencia del termistor y, por lo tanto, la temperatura.

La Figura 1 muestra la dependencia gráfica de la resistencia del termistor frente a la temperatura (que se tomaron de las hojas de datos del fabricante). Para nuestro diseño, utilizamos dos termistores NTC similares con una resistencia típica de 10 kOhm a 25 ° C.

La idea básica de la transformación directa de la señal de temperatura en la señal digital de salida de una frecuencia proporcional es el uso del termistor R1 junto con el condensador C1 en el circuito de ajuste de frecuencia R1C1 del generador, como parte de un anillo clásico. oscilador usando tres elementos lógicos “NAND”. La constante de tiempo de R1C1 depende de la temperatura, porque cuando la temperatura cambia, la resistencia del termistor cambiará en consecuencia.

La frecuencia de la señal digital de salida se puede calcular utilizando la Fórmula 1.

Paso 2: Convertidores de temperatura a frecuencia basados en SLG46108V

Este tipo de oscilador generalmente agrega una resistencia R2 para limitar la corriente a través de los diodos de entrada y reducir la carga en los elementos de entrada del circuito. Si el valor de resistencia de R2 es mucho menor que la resistencia de R1, entonces no afecta realmente la frecuencia de generación.

En consecuencia, sobre la base del GreenPAK SLG46108V, se construyeron dos variantes del convertidor de temperatura a frecuencia (consulte la Figura 5). El circuito de aplicación de estos sensores se presenta en la Figura 3.

El diseño, como ya hemos dicho, es bastante sencillo, es una cadena de tres elementos NAND que forman un oscilador en anillo (ver Figura 4 y Figura 2) con una entrada digital (PIN # 3), y dos salidas digitales (PIN # 6 y PIN # 8) para la conexión a circuitos externos.

Los lugares de la fotografía en la Figura 5 muestran los sensores de temperatura activos (una moneda de un centavo es para la escala).

Paso 3: Medidas

Se realizaron mediciones para evaluar el correcto funcionamiento de estos sensores de temperatura activos. Nuestro sensor de temperatura se colocó en una cámara controlada, cuya temperatura en el interior se podía cambiar a una precisión de 0,5 ° С. Se registró la frecuencia de la señal digital de salida y los resultados se presentan en la Figura 6.

Como se puede ver en el gráfico que se muestra, las medidas de frecuencia (triángulos verdes y azules) coinciden casi por completo con los valores teóricos (líneas negras y rojas) de acuerdo con la Fórmula 1 dada anteriormente. En consecuencia, este método de convertir la temperatura en frecuencia está funcionando correctamente.

Paso 4: Tercer sensor de temperatura activo basado en SLG46620V

Además, se construyó un tercer sensor de temperatura activo (ver Figura 7) para demostrar la posibilidad de un procesamiento simple con indicación de temperatura visible. Usando el GreenPAK SLG46620V, que contiene 10 elementos de retardo, hemos construido diez detectores de frecuencia (ver Figura 9), cada uno de los cuales está configurado para detectar una señal de una frecuencia en particular. De esta manera, construimos un termómetro simple con diez puntos de indicación personalizables.

La Figura 8 muestra el esquema de nivel superior del sensor activo con indicadores de visualización para diez puntos de temperatura. Esta función adicional es conveniente porque es posible estimar visualmente el valor de temperatura sin analizar por separado la señal digital generada.

Conclusiones

En este Instructable, propusimos un método para convertir una señal analógica de sensor de temperatura en una señal digital modulada en frecuencia utilizando productos GreenPAK de Dialog. El uso de termistores junto con GreenPAK permite mediciones predecibles sin el uso de costosos convertidores de analógico a digital y evitando el requisito de medir las señales analógicas. GreenPAK es la solución ideal para el desarrollo de este tipo de sensor personalizable, como se muestra en los ejemplos de prototipos construidos y probados. GreenPAK contiene una gran cantidad de elementos funcionales y bloques de circuitos necesarios para la implementación de varias soluciones de circuitos, y esto reduce en gran medida la cantidad de componentes externos del circuito de aplicación final. El bajo consumo de energía, el tamaño de chip pequeño y el bajo costo son una ventaja adicional por elegir GreenPAK como el controlador principal para muchos diseños de circuitos.