Czujniki temperatury są jednymi z najważniejszych rodzajów czujników wartości fizycznych, ponieważ wiele różnych procesów (również w życiu codziennym) jest regulowanych przez temperaturę. Poza tym pomiar temperatury umożliwia pośrednie określenie innych parametrów fizycznych, takich jak natężenie przepływu materii, poziom płynu itp. Zazwyczaj czujniki przetwarzają zmierzoną wartość fizyczną na sygnał analogowy. Czujniki temperatury nie są tutaj wyjątkiem. W celu przetworzenia przez CPU lub komputer, analogowy sygnał z sensora temperatury musi zostać przekształcony w postać cyfrową. Do takiej konwersji powszechnie stosuje się relatywnie drogie przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC).
Celem poniższego artykułu jest opracowanie i przedstawienie uproszczonej techniki bezpośredniej konwersji sygnału analogowego z czujnika temperatury na sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości z wykorzystaniem układu z rodziny GreenPAK. Następnie można łatwiej zmierzyć częstotliwość sygnału cyfrowego, który zmienia się w zależności od temperatury, z dość dużą dokładnością, a następnie przekształcić w wymagane jednostki fizyczne programowo. Taka bezpośrednia transformacja nie wymaga stosowania drogich przetworników ADC. Ponadto transmisja sygnału cyfrowego jest bardziej niezawodna niż analogowa.
Projektowanie i analiza obwodów
W zależności od określonych wymagań, przede wszystkim w zakresie temperatur i dokładności, można stosować różne typy czujników temperatury i ich obwody przetwarzania sygnałów. Najpowszechniej stosowane są termistory NTC, które zmniejszają wartość swojej rezystancji elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury (patrz rysunek 1). Mają znacznie wyższy rezystorowy współczynnik temperaturowy w porównaniu z czujnikami rezystancyjnymi z metalu (RTD) i kosztują znacznie mniej. Główną wadą termistorów jest ich nieliniowa zależność od temperatury, tj. charakterystyczny kształt krzywej „rezystancji w funkcji temperatury”. W naszym przypadku nie odgrywa to znaczącej roli, ponieważ podczas konwersji istnieje dokładna zgodność częstotliwości z rezystancją termistora, a tym samym z temperaturą, gdyż znana jest zależność matematyczna łącząca te wartości (patrz równanie 1).
Rys.1. Rezystancja termistora w funkcji temperatury.
Rysunek 1 pokazuje na wykresie zależność rezystancji termistora od temperatury zaczerpniętą z dokumentacji producenta. W naszym projekcie wykorzystamy dwa podobne termistory NTC, charakteryzujące się rezystancją 10 kΩ przy 25°C. Termistory użyte do wykreślenia wykresu na rysunku 1 to (1) MF52E103F395 oraz (2) LE100100E3103.
Podstawową ideą bezpośredniego przekształcenia sygnału temperatury na wyjściowy sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości jest zastosowanie termistora R1 wraz z kondensatorem C1 w układzie generatora częstotliwości, jako części klasycznego oscylatora pierścieniowego zrealizowanego przy użyciu trzech elementów logicznych – bramek NAND. Stała czasowa R1 x C1 zależy od temperatury, ponieważ wraz ze zmianą temperatury rezystancja termistora odpowiednio zmienia się.
Częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego można obliczyć za pomocą następującego wzoru:
$$ f \approx \frac {1} {2.3 \times R_1 \times C_1} \qquad (1)$$
Rys.2. Schemat czujnika aktywnego.
Ten rodzaj oscylatora zazwyczaj wykorzystuje dodatkowy rezystor R2 w celu ograniczenia prądu płynącego przez diody wejściowe i zmniejszenia obciążenia elementów wejściowych obwodu. Jeśli wartość rezystancji R2 jest znacznie mniejsza niż rezystancja R1, to nie wpływa ona na generowaną częstotliwość.
W konsekwencji, w oparciu o układ SLG46108V, skonstruowano dwa warianty przetwornicy temperatury na częstotliwość (patrz rysunek 5). Schemat działania tych czujników przedstawiono na rysunku 3.
Rys.3. Schemat ideowy aktywnych czujników (dla SLG46108V).
Projekt, jak już powiedzieliśmy, jest dość prosty: jest to tor złożony z trzech bramek NAND, które tworzą oscylator pierścieniowy (patrz Rysunek 4 i [/b]Rysunek 2[/b]) z jednym wejściem cyfrowym (Pin 3) i dwoma wyjściami cyfrowymi (Pin 6 i Pin 8) do podłączenia obwodów zewnętrznych.
Rys.4. Projekt w GreenPAK.
Rysunek 5 pokazuje aktywny sensor temperatury. Na zdjęciu pokazano dla porównania monetę jednocentową
Rys.5. Aktywny czujnik temperatury.
Wykonano pomiary w celu oceny prawidłowego działania obu aktywnych czujników temperatury. Przedstawiony czujnik temperatury został umieszczony w kontrolowanej komorze, w której można było zmieniać temperaturę z dokładnością do 0,5°С. Rejestrowano częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego, a wyniki przedstawiono na rysunku 6.
Rys.6. Porównanie częstotliwości obliczonej i zmierzonej.
Jak widać na przedstawionym wykresie, pomiary częstotliwości (zielone i niebieskie trójkąty) prawie dokładnie pokrywają się z wartościami teoretycznymi (czarne i czerwone linie), wyznaczonymi według wzoru 1. W konsekwencji widzimy, że metoda ta działa w pełni poprawnie.
Zbudowano również trzeci aktywny czujnik temperatury (patrz rysunek 7), aby zademonstrować możliwość prostego przetwarzania z widocznym wskazaniem temperatury. Używając układu SLG46620V, który zawiera w sobie 10 elementów opóźniających, w ten sposób skonstruowano 10 mierników częstotliwości (patrz rysunek 9), z których każdy jest skonfigurowany do wykrywania sygnału o jednej, określonej częstotliwości. W ten sposób zestawiono prosty termometr z 10 konfigurowalnymi punktami wskazań.
Rys.7. Zdjęcie aktywnego czujnika temperatury ze wskaźnikami LED.
Rys.8. Schemat ideowy aktywnego czujnika (dla SLG46620V).
Rysunek 8 przedstawia schemat najwyższego poziomu czujnika aktywnego ze wskaźnikami na wyświetlaczu dla 10 punktów temperatury. Ta dodatkowa funkcja jest wygodna, ponieważ umożliwia wizualną ocenę wartości temperatury bez oddzielnej analizy generowanego sygnału cyfrowego.
Rys.9. Schemat projektu GreenPAK dla SLG46620V.
Podsumowanie
W powyższym artykule zaproponowano metodę konwersji sygnału analogowego z czujnika temperatury na sygnał cyfrowy z modulacją częstotliwości za pomocą SLG46620. Użycie termistorów w połączeniu z układami scalonymi z serii GreenPAK pozwala na przewidywalne pomiary bez użycia drogich przetworników ADC i uniknięcie konieczności pomiaru sygnałów analogowych. Ten obwód jest idealnym rozwiązaniem do rozwoju tego typu elastycznego czujnika, jak pokazano na przykładach zbudowanych i przetestowanych prototypów.
Wykorzystany układ scalony zawiera w sobie dużą liczbę elementów funkcjonalnych i bloków obwodów niezbędnych do realizacji różnych rozwiązań systemowych, co znacznie zmniejsza liczbę elementów zewnętrznych końcowego obwodu. Niskie zużycie energii, mały rozmiar chipa i niski koszt to bonus przy wyborze układów GreenPAK jako głównego kontrolera dla wielu obwodów.
Źródło: https://www.eeweb.com/temperature-to-frequency-conversion-using-greenpak/
Celem poniższego artykułu jest opracowanie i przedstawienie uproszczonej techniki bezpośredniej konwersji sygnału analogowego z czujnika temperatury na sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości z wykorzystaniem układu z rodziny GreenPAK. Następnie można łatwiej zmierzyć częstotliwość sygnału cyfrowego, który zmienia się w zależności od temperatury, z dość dużą dokładnością, a następnie przekształcić w wymagane jednostki fizyczne programowo. Taka bezpośrednia transformacja nie wymaga stosowania drogich przetworników ADC. Ponadto transmisja sygnału cyfrowego jest bardziej niezawodna niż analogowa.
Projektowanie i analiza obwodów
W zależności od określonych wymagań, przede wszystkim w zakresie temperatur i dokładności, można stosować różne typy czujników temperatury i ich obwody przetwarzania sygnałów. Najpowszechniej stosowane są termistory NTC, które zmniejszają wartość swojej rezystancji elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury (patrz rysunek 1). Mają znacznie wyższy rezystorowy współczynnik temperaturowy w porównaniu z czujnikami rezystancyjnymi z metalu (RTD) i kosztują znacznie mniej. Główną wadą termistorów jest ich nieliniowa zależność od temperatury, tj. charakterystyczny kształt krzywej „rezystancji w funkcji temperatury”. W naszym przypadku nie odgrywa to znaczącej roli, ponieważ podczas konwersji istnieje dokładna zgodność częstotliwości z rezystancją termistora, a tym samym z temperaturą, gdyż znana jest zależność matematyczna łącząca te wartości (patrz równanie 1).
Rys.1. Rezystancja termistora w funkcji temperatury.
Rysunek 1 pokazuje na wykresie zależność rezystancji termistora od temperatury zaczerpniętą z dokumentacji producenta. W naszym projekcie wykorzystamy dwa podobne termistory NTC, charakteryzujące się rezystancją 10 kΩ przy 25°C. Termistory użyte do wykreślenia wykresu na rysunku 1 to (1) MF52E103F395 oraz (2) LE100100E3103.
Podstawową ideą bezpośredniego przekształcenia sygnału temperatury na wyjściowy sygnał cyfrowy o proporcjonalnej częstotliwości jest zastosowanie termistora R1 wraz z kondensatorem C1 w układzie generatora częstotliwości, jako części klasycznego oscylatora pierścieniowego zrealizowanego przy użyciu trzech elementów logicznych – bramek NAND. Stała czasowa R1 x C1 zależy od temperatury, ponieważ wraz ze zmianą temperatury rezystancja termistora odpowiednio zmienia się.
Częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego można obliczyć za pomocą następującego wzoru:
$$ f \approx \frac {1} {2.3 \times R_1 \times C_1} \qquad (1)$$
Rys.2. Schemat czujnika aktywnego.
Ten rodzaj oscylatora zazwyczaj wykorzystuje dodatkowy rezystor R2 w celu ograniczenia prądu płynącego przez diody wejściowe i zmniejszenia obciążenia elementów wejściowych obwodu. Jeśli wartość rezystancji R2 jest znacznie mniejsza niż rezystancja R1, to nie wpływa ona na generowaną częstotliwość.
W konsekwencji, w oparciu o układ SLG46108V, skonstruowano dwa warianty przetwornicy temperatury na częstotliwość (patrz rysunek 5). Schemat działania tych czujników przedstawiono na rysunku 3.
Rys.3. Schemat ideowy aktywnych czujników (dla SLG46108V).
Projekt, jak już powiedzieliśmy, jest dość prosty: jest to tor złożony z trzech bramek NAND, które tworzą oscylator pierścieniowy (patrz Rysunek 4 i [/b]Rysunek 2[/b]) z jednym wejściem cyfrowym (Pin 3) i dwoma wyjściami cyfrowymi (Pin 6 i Pin 8) do podłączenia obwodów zewnętrznych.
Rys.4. Projekt w GreenPAK.
Rysunek 5 pokazuje aktywny sensor temperatury. Na zdjęciu pokazano dla porównania monetę jednocentową
Rys.5. Aktywny czujnik temperatury.
Wykonano pomiary w celu oceny prawidłowego działania obu aktywnych czujników temperatury. Przedstawiony czujnik temperatury został umieszczony w kontrolowanej komorze, w której można było zmieniać temperaturę z dokładnością do 0,5°С. Rejestrowano częstotliwość wyjściowego sygnału cyfrowego, a wyniki przedstawiono na rysunku 6.
Rys.6. Porównanie częstotliwości obliczonej i zmierzonej.
Jak widać na przedstawionym wykresie, pomiary częstotliwości (zielone i niebieskie trójkąty) prawie dokładnie pokrywają się z wartościami teoretycznymi (czarne i czerwone linie), wyznaczonymi według wzoru 1. W konsekwencji widzimy, że metoda ta działa w pełni poprawnie.
Zbudowano również trzeci aktywny czujnik temperatury (patrz rysunek 7), aby zademonstrować możliwość prostego przetwarzania z widocznym wskazaniem temperatury. Używając układu SLG46620V, który zawiera w sobie 10 elementów opóźniających, w ten sposób skonstruowano 10 mierników częstotliwości (patrz rysunek 9), z których każdy jest skonfigurowany do wykrywania sygnału o jednej, określonej częstotliwości. W ten sposób zestawiono prosty termometr z 10 konfigurowalnymi punktami wskazań.
Rys.7. Zdjęcie aktywnego czujnika temperatury ze wskaźnikami LED.
Rys.8. Schemat ideowy aktywnego czujnika (dla SLG46620V).
Rysunek 8 przedstawia schemat najwyższego poziomu czujnika aktywnego ze wskaźnikami na wyświetlaczu dla 10 punktów temperatury. Ta dodatkowa funkcja jest wygodna, ponieważ umożliwia wizualną ocenę wartości temperatury bez oddzielnej analizy generowanego sygnału cyfrowego.
Rys.9. Schemat projektu GreenPAK dla SLG46620V.
Podsumowanie
W powyższym artykule zaproponowano metodę konwersji sygnału analogowego z czujnika temperatury na sygnał cyfrowy z modulacją częstotliwości za pomocą SLG46620. Użycie termistorów w połączeniu z układami scalonymi z serii GreenPAK pozwala na przewidywalne pomiary bez użycia drogich przetworników ADC i uniknięcie konieczności pomiaru sygnałów analogowych. Ten obwód jest idealnym rozwiązaniem do rozwoju tego typu elastycznego czujnika, jak pokazano na przykładach zbudowanych i przetestowanych prototypów.
Wykorzystany układ scalony zawiera w sobie dużą liczbę elementów funkcjonalnych i bloków obwodów niezbędnych do realizacji różnych rozwiązań systemowych, co znacznie zmniejsza liczbę elementów zewnętrznych końcowego obwodu. Niskie zużycie energii, mały rozmiar chipa i niski koszt to bonus przy wyborze układów GreenPAK jako głównego kontrolera dla wielu obwodów.
Źródło: https://www.eeweb.com/temperature-to-frequency-conversion-using-greenpak/
Cool? Ranking DIY
Układ jest dostępny praktycznie tylko na zamówienie i kosztuje kosztuje około 3 PLN przy zamówieniu 4000 sztuk.
Chyba nikt już dzisiaj nie mierzy temperatury w taki sposób, szybciej, prościej i taniej jest użyć scalonego sensora (chociażby DS18B20 czy LM74) lub w mniej wymagających termistora i obliczać w uP jak to @Marek_Skalski napisał.
