1. Charakterystyka zastosowanego termistora Rolę elementu pomiarowego pełni termistor NTC 10k, model: 640-10K. Pomiar temperatury za pomocą termistora polega na wykryciu zmian jego rezystancji i odpowiedniej interpretacji tych zmian. Termistor o wartości 10k posiada rezystancję 10kΩ w temperaturze 25 o C. Wartość rezystancji w skrajnych punktach zadanego zakresu pomiarowego wynosi R T (30)=8,059kΩ zaś R T (45)=4,372kΩ Mierząc parametry termistora w wąskim zakresie temperatur takim z jakim mamy do czynienia w omawianym projekcie, można z powodzeniem przyjąć, że charakterystyka jest liniowa. Tabela 1 Zależność rezystancji od temperatury(na podstawie noty katalogowej) Temperatura[⁰C] Rezystancja[kΩ] 25 10 30 8,059 35 6,535 40 5,33 45 4,372 50 3,606
Rysunek 1 Charakterystyka termistora w interesującym nas zakresie 2. Źródło prądowe Ze względu na zjawisko samonagrzewania się termistora w wyniku przepływającego przezeń prądu, należy dążyć do tego, by prąd źródła prądowego był możliwie małej wartości. W celu spolaryzowania termistora stałym prądem projektuje się źródło prądowe o prądzie wyjściowym równym 20µA. Wartość prądu wyjściowego źródła prądowego opisana jest zależnością: Gdzie U ref oznacza napięcie na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego. Napięcie to zostaje uzyskane przez podział napięcia zasilania 5V na dzielniku rezystancyjnym. Wartość napięcia w tym punkcie wynosi: Po podstawieniu do wzoru na prąd wyjściowy źródła otrzymujemy:
Q12N3906 RT1(10k)ResThermal51kR21kR39k6R1GNDGND+5V+5VUoutUref657U1BTLC272-12V+12VWzmacniaczwkonfiguracjiźródłaprądowego t Rysunek 2 Źródło prądowe 20uA Napięcie na termistorze, przez który płynie prąd ze źródła prądowego, wynosi (dla temperatury 30⁰C): Napięcie odpowiadające temperaturze 45 stopni Celsjusza wynosi: Wartości napięć są stosunkowo małe w porównaniu z zakresem pomiarowym przetwornika MAX1176, który może mierzyć sygnał z zakresu od 0V do 4,096V. Aby w pełni wykorzystać możliwości przetwornika należy wzmocnić sygnał pochodzący z termistora a następnie przesunąć go do zakresu akceptowalnego przez przetwornik analogowocyfrowy.
3. Wzmacniacz sygnału Wartość wzmocnienia obliczamy na podstawie zależności: Na potrzeby dalszych obliczeń i projektu wzmacniacza przyjmuje, że wzmocnienie wzmacniacza będzie wynosiło K=50. Wzmacniacz pracuje w konfiguracji nieodwracającej. Z doboru elementów w pętli sprzężenia zwrotnego wynika, że wzmocnienie wynosi: Uout+12V49kR51kR6GNDU_th50-12VWzmocnienieK=50 231U2ATLC272 Rysunek 3 Wzmacniacz sygnału K=50 Wprowadzenie takiego wzmocnienia do układu spowoduje, że dla maksymalnego napięcia wyjściowego z termistora(0,1612v) napięcie na wyjściu wzmacniacza napięcie równe: Dla minimalnego napięcia wyjściowego z termistora(0,0874v) napięcie na wyjściu wzmacniacza będzie równe: Napięcie po wzmocnieniu jest poza zakresem pomiarowym przetwornika, jednak różnica pomiędzy maksymalną wartością napięcia a minimalną jest mniejsza od 4,096V co
pozwala na dokonanie przesunięcia poziomu napięcia do zakresu akceptowalnego przez przetwornik(0v - 4,096V) 4. Przesuwanie poziomu napięcia stałego Przesunięcie sygnału uzyskujemy stosując wzmacniacz operacyjny pracujący w konfiguracji wzmacniacza sumującego. Podając na wejście odwracające sygnał odniesienia oraz sygnał z wyjścia stopnia wzmacniającego otrzymujemy na wyjściu układu napięcie równe co do wartości: Gdzie: Napięcie U offset zostało wytworzone na pomocniczym wzmacniaczu operacyjnym, pracującym w konfiguracji wtórnika napięciowego odwracającego napięcie. 231U1ATLC27210kR4GND+12VU_ofset(-4.3V)GNDWtórniknapięciowy+12V-12V W wyniku przeprowadzonych operacji na napięciu wyjściowym z termistora, otrzymujemy na wejściu przetwornika MAX1167 napięcie zmieniające się w zakresie:
Które może zostać przetworzone na wartość cyfrową z 16-bitową rozdzielczością. Rozdzielczość pomiaru napięcia zastosowanego przetwornika MAX1167 wynosi: +12V-12V10kR710kR8GND10kR9 231U1ATLC272DOUT1SCLK2DIN3/EOC4AIN05AIN16AIN27AIN38REF9RED_CAP10AGND1AGND12AVD13/CS14DGND15DVD16U?MAX167+5VGNDGND+5V Rysunek 4 Stopień przesuwający napięcie wraz z przetwornikiem Na rysunku 5 został przedstawiony pełny schemat toru pomiarowego od źródła prądowego polaryzującego termistor do przetwornika ADC.
Q12N3906 RT1(10k)ResThermal51kR21kR39k6R1GNDGND+5V+5VUoutUref+12V49kR51kR6GND+12V-12V10kR710kR8U_th50 231U1ATLC272GND10kR4GND+12VU_ofset(-4.3V)GND10kR9-12VWtórniknapięciowyWzmocnienieK=50 231U2ATLC272+12V-12V657U1BTLC272-12V+12VWzmacniaczwkonfiguracjiźródłaprądowego 231U1ATLC272DOUT1SCLK2DIN3/EOC4AIN05AIN16AIN27AIN38REF9RED_CAP10AGND1AGND12AVD13/CS14DGND15DVD16U?MAX167+5VGNDGND+5V t Rysunek 5 Pełny schemat toru pomiarowego