Convertisseur de température en fréquence DIY : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Les capteurs de température sont l'un des types de capteurs physiques les plus importants, car de nombreux processus différents (également dans la vie quotidienne) sont régulés par la température. En outre, la mesure de la température permet la détermination indirecte d'autres paramètres physiques, tels que le débit de matière, le niveau de fluide, etc. En règle générale, les capteurs convertissent la valeur physique mesurée en un signal analogique, et les capteurs de température ne font pas exception ici. Pour le traitement par la CPU ou l'ordinateur, le signal de température analogique doit être converti en une forme numérique. Pour une telle conversion, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) coûteux sont couramment utilisés.

Le but de ce Instructable est de développer et de présenter une technique simplifiée pour la conversion directe du signal analogique d'un capteur de température en un signal numérique à fréquence proportionnelle à l'aide de GreenPAK™. Par la suite, la fréquence d'un signal numérique qui varie en fonction de la température peut alors être plus facilement mesurée avec une assez grande précision puis convertie dans les unités de mesure requises. Une telle transformation directe est intéressante en premier lieu par le fait qu'il n'y a pas besoin d'utiliser de coûteux convertisseurs analogique-numérique. De plus, la transmission du signal numérique est plus fiable que l'analogique.

Ci-dessous, nous avons décrit les étapes nécessaires pour comprendre comment la puce GreenPAK a été programmée pour créer le convertisseur de température en fréquence. Cependant, si vous souhaitez simplement obtenir le résultat de la programmation, téléchargez le logiciel GreenPAK pour afficher le fichier de conception GreenPAK déjà terminé. Branchez le kit de développement GreenPAK à votre ordinateur et appuyez sur programme pour créer le circuit intégré personnalisé pour le convertisseur température-fréquence.

Étape 1: Analyse de conception

Différents types de capteurs de température et leurs circuits de traitement du signal peuvent être utilisés en fonction d'exigences spécifiques, principalement en matière de plage de température et de précision. Les plus largement utilisées sont les thermistances NTC, qui réduisent la valeur de leur résistance électrique avec l'augmentation de la température (voir Figure 1). Ils ont un coefficient de température de résistance nettement plus élevé que les capteurs résistifs métalliques (RTD) et ils coûtent beaucoup moins cher. Le principal inconvénient des thermistances est leur dépendance non linéaire de la caractéristique "résistance en fonction de la température". Dans notre cas, cela ne joue pas un rôle significatif puisque lors de la conversion, il y a une correspondance exacte de la fréquence à la résistance de la thermistance, et donc, la température.

La figure 1 montre la dépendance graphique de la résistance de la thermistance par rapport à la température (qui ont été tirées des fiches techniques du fabricant). Pour notre conception, nous avons utilisé deux thermistances NTC similaires avec une résistance typique de 10 kOhm à 25 °C.

L'idée de base de la transformation directe du signal de température en signal numérique de sortie d'une fréquence proportionnelle est l'utilisation de la thermistance R1 avec le condensateur C1 dans le circuit de réglage de fréquence R1C1 du générateur, dans le cadre d'un anneau classique oscillateur utilisant trois éléments logiques « NAND ». La constante de temps de R1C1 dépend de la température, car lorsque la température change, la résistance de la thermistance changera en conséquence.

La fréquence du signal numérique de sortie peut être calculée à l'aide de la formule 1.

Étape 2: Convertisseurs de température en fréquence basés sur SLG46108V

Ce type d'oscillateur ajoute généralement une résistance R2 pour limiter le courant à travers les diodes d'entrée et réduire la charge sur les éléments d'entrée du circuit. Si la valeur de résistance de R2 est beaucoup plus petite que la résistance de R1, cela n'affecte pas réellement la fréquence de génération.

Par conséquent, sur la base du GreenPAK SLG46108V, deux variantes du convertisseur température-fréquence ont été construites (voir Figure 5). Le circuit d'application de ces capteurs est présenté sur la figure 3.

La conception, comme nous l'avons déjà dit, est assez simple, il s'agit d'une chaîne de trois éléments NAND qui forment un oscillateur en anneau (voir Figure 4 et Figure 2) avec une entrée numérique (PIN#3), et deux sorties numériques (PIN #6 et PIN#8) pour la connexion aux circuits externes.

Les emplacements des photos sur la figure 5 montrent les capteurs de température actifs (une pièce d'un cent est pour l'échelle).

Étape 3: Mesures

Des mesures ont été effectuées pour évaluer le bon fonctionnement de ces capteurs de température actifs. Notre capteur de température a été placé dans une chambre contrôlée, dont la température à l'intérieur pouvait être modifiée avec une précision de 0,5 °С. La fréquence du signal numérique de sortie a été enregistrée et les résultats sont présentés à la figure 6.

Comme on peut le voir sur le graphique illustré, les mesures de fréquence (triangles verts et bleus) coïncident presque complètement avec les valeurs théoriques (lignes noires et rouges) selon la formule 1 donnée ci-dessus. Par conséquent, cette méthode de conversion de la température en fréquence fonctionne correctement.

Étape 4: Troisième capteur de température actif basé sur SLG46620V

En outre, un troisième capteur de température actif a été construit (voir Figure 7) pour démontrer la possibilité d'un traitement simple avec indication de température visible. En utilisant le GreenPAK SLG46620V, qui contient 10 éléments de retard, nous avons construit dix détecteurs de fréquence (voir Figure 9), dont chacun est configuré pour détecter un signal d'une fréquence particulière. De cette façon, nous avons construit un thermomètre simple avec dix points d'indication personnalisables.

La figure 8 montre le schéma de niveau supérieur du capteur actif avec des indicateurs d'affichage pour dix points de température. Cette fonction supplémentaire est pratique car il est possible d'estimer visuellement la valeur de la température sans analyser séparément le signal numérique généré.

Conclusion

Dans ce Instructable, nous avons proposé une méthode pour convertir un signal analogique de capteur de température en un signal numérique modulé en fréquence à l'aide de produits GreenPAK de Dialog. L'utilisation de thermistances en conjonction avec GreenPAK permet des mesures prévisibles sans l'utilisation de convertisseurs analogique-numérique coûteux, et en évitant la nécessité de mesurer les signaux analogiques. GreenPAK est la solution idéale pour le développement de ce type de capteur personnalisable, comme le montrent les exemples de prototypes construits et testés. GreenPAK contient un grand nombre d'éléments fonctionnels et de blocs de circuits nécessaires à la mise en œuvre de diverses solutions de circuits, ce qui réduit considérablement le nombre de composants externes du circuit d'application final. Une faible consommation d'énergie, une petite taille de puce et un faible coût sont un avantage supplémentaire pour choisir GreenPAK comme contrôleur principal pour de nombreuses conceptions de circuits.