溫度傳感器是最重要的物理傳感器之一，因為許多不同的過程(在日常生活中也是如此)受溫度調節。此外，溫度測量允許間接確定其他物理參數，例如物質流量、液位等。通常，傳感器將測量的物理值轉換為模擬信號，溫度傳感器也不例外。對于CPU或計算機的處理，模擬溫度信號必須轉換成數字形式。對于這種轉換，通常使用昂貴的模數轉換器 (ADC)。

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

設計和電路分析

根據具體要求，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，而且成本要低得多。熱敏電阻的主要缺點是它們對“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，因為在轉換過程中，頻率與熱敏電阻電阻以及溫度之間存在精確的對應關系。

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系曲線圖(取自制造商數據表)。對于我們的設計，我們使用了兩個類似的 NTC 熱敏電阻，在 25°C 時的典型電阻為 10 kΩ。

表 1：使用的熱敏電阻類型

將溫度信號直接轉換成比例頻率的輸出數字信號的基本思想是在發生器的頻率設置 R1C1 電路中使用熱敏電阻 R1 和電容器 C1，作為經典環形振蕩器的一部分使用三個“與非”邏輯元件。R1C1的時間常數取決于溫度，因為當溫度變化時，熱敏電阻的阻值也會相應變化。

輸出數字信號的頻率可以使用以下公式計算：

圖 2：有源傳感器示意圖

這種類型的振蕩器通常會增加一個電阻器 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載。如果 R2 的阻值遠小于 R1 的阻值，則不影響發電頻率。

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

圖 3：有源傳感器的電路(用于 SLG46108V)

正如我們已經說過的，該設計非常簡單：它是一個由三個 NAND 元件組成的鏈，形成一個環形振蕩器(參見圖 4 和圖 2)，具有一個數字輸入(引腳 3)和兩個數字輸出(引腳 6 和引腳 8) 用于連接外部電路。

圖 4：GreenPAK 設計器原理圖

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

進行了測量以評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。記錄輸出數字信號的頻率，結果如圖 6 所示。

圖 6：計算頻率與測量頻率的比較

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

此外，還構建了第三個有源溫度傳感器(參見圖 7)，以展示通過可見溫度指示進行簡單處理的可能性。使用包含 10 個延遲元件的SLG46620V，我們構建了 10 個頻率檢測器(參見圖 9)，每個頻率檢測器都配置為檢測一個特定頻率的信號。通過這種方式，我們構建了一個帶有 10 個可自定義指示點的簡單溫度計。

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 個溫度點的顯示指示器。這個附加功能很方便，因為無需單獨分析生成的數字信號就可以直觀地估計溫度值。

圖 9：SLG46620V 的 GreenPAK 設計器示意圖

結論

在本文中，我們提出了一種使用 SLG46620 將溫度傳感器模擬信號轉換為頻率調制數字信號的方法。將熱敏電阻與 GreenPAK IC 結合使用可實現可預測的測量，而無需使用昂貴的 ADC，也無需測量模擬信號。該電路是開發此類可定制傳感器的理想解決方案，如構建和測試的原型示例所示。IC包含大量實現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用電路的外部元件數量。低功耗、小芯片尺寸和低成本是許多電路設計選擇 GreenPAK IC 作為主控制器的好處。

可以在此處找到在免費的 GreenPAK Designer 軟件中創建的完整 IC 設計文件。

審核編輯：湯梓紅