使用GreenPAK進(jìn)行溫度到頻率轉(zhuǎn)換

溫度傳感器是最重要的物理傳感器之一，因?yàn)樵S多不同的過程(在日常生活中也是如此)受溫度調(diào)節(jié)。此外，溫度測(cè)量允許間接確定其他物理參數(shù)，例如物質(zhì)流量、液位等。通常，傳感器將測(cè)量的物理值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，溫度傳感器也不例外。對(duì)于CPU或計(jì)算機(jī)的處理，模擬溫度信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。對(duì)于這種轉(zhuǎn)換，通常使用昂貴的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

本文的目的是開發(fā)和展示一種使用 GreenPAK IC 將來自溫度傳感器的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為頻率成比例的數(shù)字信號(hào)的簡(jiǎn)化技術(shù)。隨后，可以更容易地以相當(dāng)高的精度測(cè)量隨溫度變化的數(shù)字信號(hào)的頻率，然后將其轉(zhuǎn)換為所需的測(cè)量單位。這種直接轉(zhuǎn)換不需要使用昂貴的 ADC。此外，數(shù)字信號(hào)傳輸比模擬信號(hào)更可靠。

設(shè)計(jì)和電路分析

根據(jù)具體要求，主要是在溫度范圍和精度方面，可以使用不同類型的溫度傳感器及其信號(hào)處理電路。最廣泛使用的是 NTC 熱敏電阻，隨著溫度的升高，它們的電阻值會(huì)降低(見圖 1)。與金屬電阻傳感器 (RTD) 相比，它們具有顯著更高的電阻溫度系數(shù)，而且成本要低得多。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)是它們對(duì)“電阻與溫度”特性的非線性依賴性。在我們的例子中，這并沒有起到重要的作用，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中，頻率與熱敏電阻電阻以及溫度之間存在精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖 1：熱敏電阻電阻與溫度曲線

圖 1 顯示了熱敏電阻電阻與溫度的關(guān)系曲線圖(取自制造商數(shù)據(jù)表)。對(duì)于我們的設(shè)計(jì)，我們使用了兩個(gè)類似的 NTC 熱敏電阻，在 25°C 時(shí)的典型電阻為 10 kΩ。

表 1：使用的熱敏電阻類型

將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成比例頻率的輸出數(shù)字信號(hào)的基本思想是在發(fā)生器的頻率設(shè)置 R1C1 電路中使用熱敏電阻 R1 和電容器 C1，作為經(jīng)典環(huán)形振蕩器的一部分使用三個(gè)“與非”邏輯元件。R1C1的時(shí)間常數(shù)取決于溫度，因?yàn)楫?dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值也會(huì)相應(yīng)變化。

輸出數(shù)字信號(hào)的頻率可以使用以下公式計(jì)算：

圖 2：有源傳感器示意圖

這種類型的振蕩器通常會(huì)增加一個(gè)電阻器 R2，以限制通過輸入二極管的電流并減少電路輸入元件上的負(fù)載。如果 R2 的阻值遠(yuǎn)小于 R1 的阻值，則不影響發(fā)電頻率。

因此，基于SLG46108V，構(gòu)建了兩種溫度頻率轉(zhuǎn)換器變體(參見圖 5)。這些傳感器的應(yīng)用電路如圖 3 所示。

圖 3：有源傳感器的電路(用于 SLG46108V)

正如我們已經(jīng)說過的，該設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單：它是一個(gè)由三個(gè) NAND 元件組成的鏈，形成一個(gè)環(huán)形振蕩器(參見圖 4 和圖 2)，具有一個(gè)數(shù)字輸入(引腳 3)和兩個(gè)數(shù)字輸出(引腳 6 和引腳 8) 用于連接外部電路。

圖 4：GreenPAK 設(shè)計(jì)器原理圖

圖 5 顯示了有源溫度傳感器(一美分硬幣用于刻度)。

圖 5：有源溫度傳感器的照片

進(jìn)行了測(cè)量以評(píng)估這些有源溫度傳感器的正確功能。我們的溫度傳感器放置在一個(gè)受控室中，其中的溫度可以更改為 0.5°С 的精度。記錄輸出數(shù)字信號(hào)的頻率，結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6：計(jì)算頻率與測(cè)量頻率的比較

從圖中可以看出，根據(jù)上述公式，頻率測(cè)量值(綠色和藍(lán)色三角形)幾乎與理論值(黑色和紅色線)完全一致。因此，這種將溫度轉(zhuǎn)換為頻率的方法工作正常。

此外，還構(gòu)建了第三個(gè)有源溫度傳感器(參見圖 7)，以展示通過可見溫度指示進(jìn)行簡(jiǎn)單處理的可能性。使用包含 10 個(gè)延遲元件的SLG46620V，我們構(gòu)建了 10 個(gè)頻率檢測(cè)器(參見圖 9)，每個(gè)頻率檢測(cè)器都配置為檢測(cè)一個(gè)特定頻率的信號(hào)。通過這種方式，我們構(gòu)建了一個(gè)帶有 10 個(gè)可自定義指示點(diǎn)的簡(jiǎn)單溫度計(jì)。

圖 7：帶 LED 指示燈的有源溫度傳感器照片

圖 8：有源傳感器電路(用于 SLG46620V)

圖 8 顯示了有源傳感器的頂層示意圖，帶有 10 個(gè)溫度點(diǎn)的顯示指示器。這個(gè)附加功能很方便，因?yàn)闊o需單獨(dú)分析生成的數(shù)字信號(hào)就可以直觀地估計(jì)溫度值。

圖 9：SLG46620V 的 GreenPAK 設(shè)計(jì)器示意圖

結(jié)論

在本文中，我們提出了一種使用 SLG46620 將溫度傳感器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制數(shù)字信號(hào)的方法。將熱敏電阻與 GreenPAK IC 結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的測(cè)量，而無需使用昂貴的 ADC，也無需測(cè)量模擬信號(hào)。該電路是開發(fā)此類可定制傳感器的理想解決方案，如構(gòu)建和測(cè)試的原型示例所示。IC包含大量實(shí)現(xiàn)各種電路方案所必需的功能元件和電路塊，這大大減少了最終應(yīng)用電路的外部元件數(shù)量。低功耗、小芯片尺寸和低成本是許多電路設(shè)計(jì)選擇 GreenPAK IC 作為主控制器的好處。

可以在此處找到在免費(fèi)的 GreenPAK Designer 軟件中創(chuàng)建的完整 IC 設(shè)計(jì)文件。

審核編輯：湯梓紅