DIY Temperatur zu Frequenzumrichter - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Temperatursensoren sind eine der wichtigsten Arten von physikalischen Sensoren, da viele verschiedene Prozesse (auch im Alltag) durch die Temperatur geregelt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Temperaturmessung die indirekte Bestimmung anderer physikalischer Parameter, wie Stoffdurchfluss, Flüssigkeitsstand usw. Typischerweise wandeln Sensoren die gemessene physikalische Größe in ein analoges Signal um, und Temperatursensoren bilden hier keine Ausnahme. Zur Verarbeitung durch die CPU oder den Computer muss das analoge Temperatursignal in eine digitale Form umgewandelt werden. Für eine solche Wandlung werden üblicherweise teure Analog-Digital-Wandler (ADCs) verwendet.

Der Zweck dieses Instructable ist es, eine vereinfachte Technik zur direkten Umwandlung des analogen Signals von einem Temperatursensor in ein digitales Signal mit proportionaler Frequenz mit GreenPAK™ zu entwickeln und zu präsentieren. Anschließend kann die temperaturabhängig variierende Frequenz eines digitalen Signals dann leichter mit relativ hoher Genauigkeit gemessen und dann in die benötigten Maßeinheiten umgerechnet werden. Eine solche direkte Transformation ist in erster Linie dadurch interessant, dass auf den Einsatz teurer Analog-Digital-Wandler verzichtet werden kann. Außerdem ist die digitale Signalübertragung zuverlässiger als die analoge.

Im Folgenden haben wir die erforderlichen Schritte beschrieben, um zu verstehen, wie der GreenPAK-Chip programmiert wurde, um den Temperatur-Frequenz-Wandler zu erstellen. Wenn Sie jedoch nur das Ergebnis der Programmierung erhalten möchten, laden Sie die GreenPAK-Software herunter, um die bereits fertige GreenPAK-Designdatei anzuzeigen. Schließen Sie das GreenPAK Development Kit an Ihren Computer an und klicken Sie auf Programm, um den benutzerdefinierten IC für den Temperatur-Frequenz-Wandler zu erstellen.

Schritt 1: Designanalyse

Abhängig von den spezifischen Anforderungen, vor allem in Bezug auf Temperaturbereich und Genauigkeit, können verschiedene Arten von Temperatursensoren und deren Signalverarbeitungsschaltungen verwendet werden. Am weitesten verbreitet sind NTC-Thermistoren, die mit steigender Temperatur den Wert ihres elektrischen Widerstands verringern (siehe Abbildung 1). Sie haben einen deutlich höheren Temperaturkoeffizienten des Widerstands im Vergleich zu metallischen Widerstandssensoren (RTDs) und sie kosten viel weniger. Der Hauptnachteil von Thermistoren ist ihre nichtlineare Abhängigkeit der Kennlinie "Widerstand vs. Temperatur". In unserem Fall spielt dies keine wesentliche Rolle, da bei der Umrechnung eine genaue Übereinstimmung der Frequenz mit dem Thermistorwiderstand und damit der Temperatur besteht.

Abbildung 1 zeigt die grafische Abhängigkeit des Thermistorwiderstands gegenüber der Temperatur (die den Herstellerdatenblättern entnommen wurden). Für unser Design haben wir zwei ähnliche NTC-Thermistoren mit einem typischen Widerstand von 10 kOhm bei 25 °C verwendet.

Die Grundidee der direkten Umwandlung des Temperatursignals in das digitale Ausgangssignal mit proportionaler Frequenz ist die Verwendung des Thermistors R1 zusammen mit dem Kondensator C1 in der frequenzeinstellenden R1C1-Schaltung des Generators als Teil eines klassischen Rings Oszillator mit drei „NAND“-Logikelementen. Die Zeitkonstante von R1C1 hängt von der Temperatur ab, denn wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Widerstand des Thermistors entsprechend.

Die Frequenz des digitalen Ausgangssignals kann mit der Formel 1 berechnet werden.

Schritt 2: Temperatur-Frequenzumrichter basierend auf SLG46108V

Dieser Oszillatortyp fügt typischerweise einen Widerstand R2 hinzu, um den Strom durch die Eingangsdioden zu begrenzen und die Belastung der Eingangselemente der Schaltung zu reduzieren. Wenn der Widerstandswert von R2 viel kleiner ist als der Widerstand von R1, dann beeinflusst dies die Erzeugungsfrequenz nicht wirklich.

Konsequenterweise wurden auf Basis des GreenPAK SLG46108V zwei Varianten des Temperatur-Frequenz-Wandlers konstruiert (siehe Abbildung 5). Die Anwendungsschaltung dieser Sensoren ist in Abbildung 3 dargestellt.

Das Design ist, wie bereits erwähnt, recht einfach, es ist eine Kette von drei NAND-Elementen, die einen Ringoszillator (siehe Abbildung 4 und Abbildung 2) mit einem digitalen Eingang (PIN#3) und zwei digitalen Ausgängen (PIN.) bilden #6 und PIN#8) zum Anschluss an externe Schaltkreise.

Fotoplätze in Abbildung 5 zeigen die aktiven Temperatursensoren (eine 1-Cent-Münze dient der Waage).

Schritt 3: Messungen

Es wurden Messungen durchgeführt, um die korrekte Funktion dieser aktiven Temperatursensoren zu bewerten. Unser Temperatursensor wurde in einer kontrollierten Kammer platziert, deren Temperatur im Inneren auf eine Genauigkeit von 0,5 °С geändert werden konnte. Die Frequenz des digitalen Ausgangssignals wurde aufgezeichnet und die Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt.

Wie aus dem gezeigten Diagramm ersichtlich, stimmen die Frequenzmessungen (grünes und blaues Dreieck) fast vollständig mit den theoretischen Werten (schwarze und rote Linie) gemäß der oben angegebenen Formel 1 überein. Folglich funktioniert diese Methode zur Umwandlung von Temperatur in Frequenz korrekt.

Schritt 4: Dritter aktiver Temperatursensor basierend auf SLG46620V

Außerdem wurde ein dritter aktiver Temperatursensor gebaut (siehe Abbildung 7), um die Möglichkeit einer einfachen Verarbeitung mit sichtbarer Temperaturanzeige zu demonstrieren. Mit dem GreenPAK SLG46620V, das 10 Verzögerungselemente enthält, haben wir zehn Frequenzdetektoren gebaut (siehe Abbildung 9), von denen jeder so konfiguriert ist, dass er ein Signal einer bestimmten Frequenz erkennt. Auf diese Weise haben wir ein einfaches Thermometer mit zehn anpassbaren Anzeigepunkten konstruiert.

Abbildung 8 zeigt das oberste Schema des aktiven Sensors mit Anzeigeanzeigen für zehn Temperaturpunkte. Diese zusätzliche Funktion ist praktisch, da es möglich ist, den Temperaturwert visuell abzuschätzen, ohne das erzeugte digitale Signal separat zu analysieren.

Schlussfolgerungen

In diesem Instructable haben wir eine Methode zur Umwandlung eines analogen Temperatursensorsignals in ein frequenzmoduliertes digitales Signal mit GreenPAK-Produkten von Dialog vorgeschlagen. Die Verwendung von Thermistoren in Verbindung mit GreenPAK ermöglicht vorhersagbare Messungen ohne den Einsatz teurer Analog-Digital-Wandler und vermeidet die Notwendigkeit, die analogen Signale zu messen. GreenPAK ist die ideale Lösung für die Entwicklung eines solchen anpassbaren Sensors, wie die gebauten und getesteten Prototypenbeispiele zeigen. GreenPAK enthält eine große Anzahl von Funktionselementen und Schaltungsblöcken, die für die Implementierung verschiedener Schaltungslösungen erforderlich sind, wodurch die Anzahl externer Komponenten der endgültigen Anwendungsschaltung stark reduziert wird. Geringer Stromverbrauch, kleine Chipgröße und niedrige Kosten sind ein zusätzlicher Bonus für die Wahl von GreenPAK als Hauptcontroller für viele Schaltungsdesigns.