Цифровой метод измерения температуры

В данной книге не описываются методы ведения деловых переговоров, способы «зарабатывания очков» и продвижения по служебной лестнице. Эта книга посвящена всего лишь возможным методам разработки аналоговых схем, с которыми всё время приходится сталкиваться, и реализации таких методов в системах с однополярным питанием. В сущности, выпускник вуза в какой-то степени был прав, поскольку цифровые решения внедряются и в большинство устройств аналоговой техники.

Попробуем, например, измерить температуру методами цифровой электроники. В этом случае простой аналого-цифровой преобразователь с низким разрешением можно легко заменить интегрирующей ЛС-цепью, присоединённой к порту ввода/вывода микроконтроллера. Переходная характеристика интегрирующей ЛС-цепи представляет собой нарастающую во времени функцию, поэтому для измерения напряжения входного сигнала микроконтроллер с помощью внутреннего таймера подсчитывает число миллисекунд, в течении которых напряжение на входе микроконтроллера достигнет порогового уровня.

Когда можно использовать подобный метод измерения температуры? Он подойдет, например, при использовании резистивного датчика температуры, изменяющего своё сопротивление при изменении температуры.

На Рис. 1.4 показана принципиальная схема измерения температуры с помощью микроконтроллера. В начале цикла измерения выводы GP1 и GP2 конфигурируются как входы и, кроме того, вывод GP0 конфигурируется как выход, на котором устанавливается напряжение НИЗКОГО уровня, чтобы разрядить конденсатор C|_NT.

Рис. 1.4. Для сравнения постоянных времени двух цепей в схеме переключается опорное напряжение на выводах GP1 и GP2: одна цепь содержит параллельно соединённые термистор Rfiyc ^с отрицательным коэффициентом сопротивления и стандартный резистор /?par, а также интегрирующий конденсатор Cint> а вторая включает опорный резистор /?ref и тот же самый конденсатор C_]Nt.

В основе работы схемы измерения температуры, показанной на Рис. 1.4, лежит принцип поочередного заряда интегрирующего конденсатора C|_NX через различные резисторы, подключённые к выводам GP1 и GP2 микроконтроллера, а разряжается конденсатор в обоих случаях через вывод GP0.

В начале работы выводы GP1 и GP2 конфигурируются как входы, а конденсатор C|_NT разряжается через вывод GP0, сконфигурированный как выход с НИЗКИМ уровнем выходного напряжения. После разрядки конденсатора C_)NT вывод

GP0 конфигурируется как вход, а вывод GP1 — как выход с ВЫСОКИМ уровнем напряжения. Таким образом, начинается заряд конденсатора C|_NT через параллельно соединённые термистор и резистор /?_PAR.

Внутренний таймер микроконтроллера подсчитывает интервал времени Г_{ (Рис. 1.5) до момента, когда в процессе заряда конденсатора C_INT через параллельно соединённые терморезистор /?_NTC и резистор /?|>_AR напряжение на выводе GP0 достигнет порогового значения Г_тн, соответствующего значению лог. 1.

Микроконтроллер фиксирует появление лог. 1 на входе GP0, затем конфигурирует выводы GP1 и GP2 как входы, а вывод GP0 — как выход с уровнем напряжения, соответствующего лог. 0. Конденсатор C_]NT быстро разряжается через GP0, после чего микроконтроллер конфигурирует вывод GP0 как вход, а вывод GP2 — как выход с ВЫСОКИМ уровнем напряжения.

Конденсатор C|_NX вновь начинает заряжаться, но теперь уже через резистор y?_REF. а таймер подсчитывает интервал времени до момента переключения GP0 снова в состояние лог. 1 (этот интервал обозначен на Рис. 1.5 как t₂).

Рис. 1.5. По переходной характеристике ЛС-цепи, показанной на Рис. 1.4. с помощью внутреннего счётчика микроконтроллера можно определить относительное сопротивление терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом.

Время интегрирования ЛС-цепи можно вычислить по формуле:

или

где К_оит — напряжение на выводе GP0,

K_REF ^— выходное напряжение ВЫСОКОГО логического уровня на выводах в GP1 или GP2,

V_JH — входное пороговое напряжение GP0, соответствующее лог. 1.

Если отношение напряжений K_th/Eref является константой, то неизвестное значение сопротивления параллельно соединённых резисторов /?_NXC и /f_PAR можно вычислить по формуле:

Обратите внимание, что в этой формуле вычисленное значение сопротивлений включённых параллельно резисторов /J_Nхс и R_par не зависит от ёмкости конденсатора C|_NT. Точность этих резисторов влияет на абсолютную точность измерения.

Думаю, кандидат в инженеры, встретившийся мне на выставке, всё-таки не прав — аналоговая электроника никогда не исчезнет, и специалист по цифровой технике всё также будет бороться с проблемами, возникающими в аналоговых схемах. Дело в том, что аналоговое схемотехническое решение во много раз эффективнее и, как правило, точнее, чем цифровое. Например, точность результатов предыдущей измерительной ЛС-цепи определяется разрядностью таймера, частотой тактового генератора микроконтроллера и допустимой погрешностью резисторов.