使用GreenPAK进行温度到频率转换

温度传感器是最重要的物理传感器之一，因为许多不同的过程(在日常生活中也是如此)受温度调节。此外，温度测量允许间接确定其他物理参数，例如物质流量、液位等。通常，传感器将测量的物理值转换为模拟信号，温度传感器也不例外。对于CPU或计算机的处理，模拟温度信号必须转换成数字形式。对于这种转换，通常使用昂贵的模数转换器 (ADC)。

本文的目的是开发和展示一种使用 GreenPAK IC 将来自温度传感器的模拟信号直接转换为频率成比例的数字信号的简化技术。随后，可以更容易地以相当高的精度测量随温度变化的数字信号的频率，然后将其转换为所需的测量单位。这种直接转换不需要使用昂贵的 ADC。此外，数字信号传输比模拟信号更可靠。

设计和电路分析

根据具体要求，主要是在温度范围和精度方面，可以使用不同类型的温度传感器及其信号处理电路。最广泛使用的是 NTC 热敏电阻，随着温度的升高，它们的电阻值会降低(见图 1)。与金属电阻传感器 (RTD) 相比，它们具有显着更高的电阻温度系数，而且成本要低得多。热敏电阻的主要缺点是它们对“电阻与温度”特性的非线性依赖性。在我们的例子中，这并没有起到重要的作用，因为在转换过程中，频率与热敏电阻电阻以及温度之间存在精确的对应关系。

图 1：热敏电阻电阻与温度曲线

图 1 显示了热敏电阻电阻与温度的关系曲线图(取自制造商数据表)。对于我们的设计，我们使用了两个类似的 NTC 热敏电阻，在 25°C 时的典型电阻为 10 kΩ。

表 1：使用的热敏电阻类型

将温度信号直接转换成比例频率的输出数字信号的基本思想是在发生器的频率设置 R1C1 电路中使用热敏电阻 R1 和电容器 C1，作为经典环形振荡器的一部分使用三个“与非”逻辑元件。R1C1的时间常数取决于温度，因为当温度变化时，热敏电阻的阻值也会相应变化。

输出数字信号的频率可以使用以下公式计算：

图 2：有源传感器示意图

这种类型的振荡器通常会增加一个电阻器 R2，以限制通过输入二极管的电流并减少电路输入元件上的负载。如果 R2 的阻值远小于 R1 的阻值，则不影响发电频率。

因此，基于SLG46108V，构建了两种温度频率转换器变体(参见图 5)。这些传感器的应用电路如图 3 所示。

图 3：有源传感器的电路(用于 SLG46108V)

正如我们已经说过的，该设计非常简单：它是一个由三个 NAND 元件组成的链，形成一个环形振荡器(参见图 4 和图 2)，具有一个数字输入(引脚 3)和两个数字输出(引脚 6 和引脚 8) 用于连接外部电路。

图 4：GreenPAK 设计器原理图

图 5 显示了有源温度传感器(一美分硬币用于刻度)。

图 5：有源温度传感器的照片

进行了测量以评估这些有源温度传感器的正确功能。我们的温度传感器放置在一个受控室中，其中的温度可以更改为 0.5°С 的精度。记录输出数字信号的频率，结果如图 6 所示。

图 6：计算频率与测量频率的比较

从图中可以看出，根据上述公式，频率测量值(绿色和蓝色三角形)几乎与理论值(黑色和红色线)完全一致。因此，这种将温度转换为频率的方法工作正常。

此外，还构建了第三个有源温度传感器(参见图 7)，以展示通过可见温度指示进行简单处理的可能性。使用包含 10 个延迟元件的SLG46620V，我们构建了 10 个频率检测器(参见图 9)，每个频率检测器都配置为检测一个特定频率的信号。通过这种方式，我们构建了一个带有 10 个可自定义指示点的简单温度计。

图 7：带 LED 指示灯的有源温度传感器照片

图 8：有源传感器电路(用于 SLG46620V)

图 8 显示了有源传感器的顶层示意图，带有 10 个温度点的显示指示器。这个附加功能很方便，因为无需单独分析生成的数字信号就可以直观地估计温度值。

图 9：SLG46620V 的 GreenPAK 设计器示意图

结论

在本文中，我们提出了一种使用 SLG46620 将温度传感器模拟信号转换为频率调制数字信号的方法。将热敏电阻与 GreenPAK IC 结合使用可实现可预测的测量，而无需使用昂贵的 ADC，也无需测量模拟信号。该电路是开发此类可定制传感器的理想解决方案，如构建和测试的原型示例所示。IC包含大量实现各种电路方案所必需的功能元件和电路块，这大大减少了最终应用电路的外部元件数量。低功耗、小芯片尺寸和低成本是许多电路设计选择 GreenPAK IC 作为主控制器的好处。

可以在此处找到在免费的 GreenPAK Designer 软件中创建的完整 IC 设计文件。

审核编辑：汤梓红