- Використання ємнісних датчиків
- датчики вологості
- датчики освітленості
- Вимірювання індуктивності
- ультразвукові вимірювання
- Висновок
- Про компанію Texas Instruments
Ємнісні датчики для вимірювання відстані, рівня рідини або присутності; датчики вологості / температури; датчики інтенсивності навколишнього освітлення, датчики індуктивності для виявлення струмопровідних об'єктів і вимірювання відстані до них - це лише невелика частина лінійки надійних і якісних інтегральних датчиків виробництва компанії Texas Instruments.
Сьогоднішній день немислимий без всіляких датчиків, які допомагають дослідити наше довкілля. Датчики допомагають перетворити аналогові фізичні величини в цифровий потік для подальшої обробки. Незалежно від того, що саме необхідно вимірювати, в номенклатурі Texas Instruments знайдеться безліч рішень. Для вимірювання всіляких параметрів в мікросхемах Texas Instruments застосовуються різні методи і технології. Існуючі рішення включають вимірювання за допомогою ємнісних, індуктивних, ультразвукових датчиків, тензодатчиков, датчиків температури, фотодіодів, датчиків Холла, але не обмежуються ними.
Використання ємнісних датчиків
Рішення, які застосовують різні способи вимірювання ємності, набирають популярність. Це можна відзначити на прикладі таких пристроїв, як датчики присутності, пристрої розпізнавання жестів, пристрої для аналізу матеріалів і визначення рівня рідини. Головна відмінність методу, заснованого на вимірюванні ємності, від інших полягає в тому, що його можна застосовувати спільно з різними матеріалами - як струмопровідними, так і не проводять струм. Метод дозволяє проводити безконтактні вимірювання. При цьому можливе визначення великих відстаней при малих розмірах датчика. В якості вимірювального елемента може бути використаний будь-який провідний елемент - це дає можливість створювати легко інтегруються бюджетні системи. Крім того, використовуючи сучасну елементну базу, можна домогтися досить високої точності вимірювання.
Для реалізації ємнісних датчиків Texas Instruments пропонує шість мікросхем, що реалізують перетворення «ємність-код». Їх короткі характеристики дані в таблиці 1.
Таблиця 1. Параметри сімейства перетворювачів «ємність-код»
Найменування FDC1004 FDC2212 FDC2214 FDC2112 FDC2114 Кількість каналів 4 2 4 2 4 Вхідний діапазон тип., ПФ ± 15 250000 Розрядність, біт 24 28 28 12 12 Канали для екрану 2 Напруга живлення хв., В 3 2,7 2,7 2,7 2,7 Напруга живлення макс ., в 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 Струм споживання тип., мА 0,75 2,1 2,1 2,1 2,1 Струм в режимі очікування тип., мкА 29 35 35 35 35 Струм в режимі зупинки тип., нА - 200 200 200 200 Інтерфейс I2C Частота вибірки даних тип., виб. / с 100/200/400 40 ... 4080 40 ... 4080 40 ... 13300 40 ... 13300 Робочий діапазон температур, ° C -40 ... 125 Корпус 10VSSOP; 10WSON 12WSON 16WQFN 12WSON 16WQFN
Крім відмінності в характеристиках представлених мікросхем, варто звернути увагу на деякі відмінності внутрішньої архітектури (рисунок 1) і алгоритму вимірювання. Так, наприклад, в FDC1004 для вимірювання використовується принцип заряду-розряду ємності, величина ємності вимірюється за допомогою вимірювання напруги. У мікросхемах FDC2x1x ємність вимірюється за допомогою вимірювання частоти.
а)
б)
Мал. 1. Структурна схема і приклад підключення датчиків: а) FDC1004; б) FDC2x1x
Серед особливостей FDC1004 слід відзначити наявність чотирьох каналів вимірювання, можливість компенсації паразитної ємності і застосування активного екранування. Компенсація паразитної ємності затребувана при побудові систем із застосуванням віддалених датчиків. За допомогою внутрішньої схемотехніки FDC1004 можна компенсувати зовнішню паразитную ємність до 100 пФ. Крім того, два додаткових драйвера екрана дозволяють зменшити вплив зовнішніх факторів на результати вимірювання і звузити зону сприйнятливості датчика, тим самим підвищивши точність вимірювань. За допомогою активного драйвера екрану створюється еквіпотенційне поле, що виключає вплив зовнішніх небажаних факторів на лінію передачі. Драйвери екрана можуть працювати з ємнісний навантаженням до 400 пФ. Якщо ж ємність екрану буде вище зазначеної - ефективність його використання буде не настільки очевидною. При цьому слід враховувати, що ефективна розрядність у FDC1004 складає близько 16 біт. Такий розрядності достатньо, щоб, використовуючи недорогий струмопровідний сенсор, виявляти віддалені об'єкти.
Лінійка мікросхем FDC2x1x розроблена з урахуванням зменшення впливу зовнішніх електромагнітних збурень і забезпечує можливість реалізації високоточних швидких перетворювачів ємності. Для забезпечення посиленого захисту від зовнішніх електромагнітних впливів в мікросхемах використовується рішення з вузькосмуговим вхідним каскадом, що дозволяє забезпечити високий рівень придушення шуму і перешкод, при цьому зберігши швидкість і точність перетворення. Для вимірювання ємності передбачено використання широкого діапазону збуджуючих частот 0,001 ... 10 МГц. Висока частота збудження (10 МГц) дає можливість використовувати представлене рішення спільно з струмопровідними рідинами. Усередині самої лінійки FDC2x1x також є ряд відмінностей: FDC221x призначена для застосувань, в яких потрібна висока точність (до 28 біт), тоді як FDC211x дозволяє досягти більшої швидкості вимірювання (до 13 Квиб. / С) і призначена для виробів, де необхідно відстежувати швидке переміщення об'єкта, що спостерігається. Широкий діапазон вхідних ємностей до 250 нФ дозволяє використовувати дане рішення для реалізації датчиків з великими розмірами або ж використовувати віддалені датчики, де ємність проводів вносить значний вклад в загальне значення ємності. Так як величина вимірюваної вхідної ємності досить велика, реалізація ємнісного датчика навколишнього середовища не складе великих труднощів.
Незважаючи на підвищені швидкість вимірювання та точність, в лінійці FDC2x1x немає можливості використовувати ємнісні датчики з активним екраном, тому для рішень, де важливо виключити вплив людини на результати вимірювання, краще використовувати FDC1004.
Мал. 2. Приклад отладочной плати FDC1004
Для отримання досвіду роботи з рішеннями Texas Instruments для вимірювання ємності компанія пропонує набори налагоджувальних плат FDC1004EVM і FDC2114EVM з USB-підключенням. Особливістю налагоджувальних плат є їх модульність. Будь-який елемент, будь то датчик або керуючий мікроконтролер, можна від'єднати від досліджуваної мікросхеми FDC, і під'єднати власний. Спільно з налагодженням компанія TI пропонує використовувати ПО, яке дозволяє підключитися до налагоджування платі і досліджувати її можливості (малюнки 2 і 3).
Мал. 3. Зовнішній вигляд вікна ПО
датчики вологості
Однією з різновидів ємнісного датчика може бути датчик вологості. Його основне завдання - визначення кількості водяної пари / вологи в повітрі. Так як діелектрична проникність лінійно залежна від вмісту вологи в речовині, то, стежачи за зміною величини ємності, можна визначити вологість навколишнього середовища. Датчики вологості знаходять широке застосування в багатьох системах управління технологічними процесами і контролю параметрів навколишнього середовища в будівлях і автомобілях, системах клімат-контролю і дистанційних метеостанціях.
а)
б)
Мал. 4. Функціональна схема: а) HDC1050; б) HDC1000
На сьогоднішній день в лінійці Texas Instruments є три мікросхеми, що дозволяють вимірювати вологість: HDC1000 , HDC1008 , HDC1050 (Рисунок 4). Датчики є закінченим виробом, не вимагають додаткових зовнішніх перетворювачів і дозволяють досягти ± 3% точності при вимірюванні вологості. Так як відносна вологість безпосередньо пов'язана з температурою навколишнього середовища, то, крім вологості, вони дозволяють додатково вимірювати температуру. Основні параметри датчиків наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Параметри датчиків вологості Texas Instruments
Найменування HDC1000 HDC1008 HDC1050 Точність вимірювання вологості тип.,% ± 3 ± 4 ± 3 Діапазон вимірювання вологості тип.,% 0 ... 100 Точність вимірювання температури тип., ° C ± 0,2 Напруга живлення, В 2,7 ... 5,5 середній струм споживання тип., мкА 1,2 @ 1 виб. / с Інтерфейс I2C Робочий діапазон температур, ° C -40 ... 125 Корпус DSBGA DSBGA WSON
Для всіх представлених датчиків вологості характерно мале енергоспоживання як в робочому режимі (1,2 мкА), так і в режимі очікування (~ 100 нА), тому вони можуть бути використані в пристроях з батарейним харчуванням. Крім цього, мале енергоспоживання дозволяє уникнути впливу самонагрева на результати вимірювання.
Точність вимірювання датчиків залежить від обраного часу перетворення і може становити 8 ... 14 біт при вимірюванні вологості і 11 ... 14 біт при вимірюванні температури. За допомогою регістра конфігурації можна задати один з трьох варіантів тривалості перетворення: 2,5, 3,85 і 6,5 мс. Найбільша точність досягається при установці часу перетворення 6,5 мс. Щодо точності вимірювання слід зазначити, що, незважаючи на заявлений робочий температурний діапазон -40 ... 125 ° С, точність вимірювання вологості гарантується тільки в діапазоні температур -40 ... 60 ° С. При цьому в разі зміни температури точність зберігається у всьому діапазоні.
Для комунікації із зовнішнім мікро контролером в датчиках використовується інтерфейс I2C. За допомогою даного інтерфейсу задаються параметри роботи мікросхеми і зчитуються дані. Крім виміряних параметрів вологості і температури, дані містять інформацію про зниження напруги харчування мікросхеми нижче заданого порогу. При зниженні напруги живлення менше 2,8 У в пакеті даних формується спеціальний прапор. Завдяки цьому можна вчасно помітити проблему і замінити батарею.
Нагрівальний елемент, вбудований в датчик, призначений для тестування функціональності і для видалення конденсату. Він також корисний для компенсації можливого зсуву даних вимірювання при тривалому знаходженні датчика в умовах підвищеної вологості.
Серед основних відмінностей між датчиками вологості Texas Instruments слід зазначити використовуваний корпус, місце розміщення ємнісного вимірювального датчика, можливість адресації шини I2C. Так, HDC1050 виконаний в 6-вивідному корпусі WSON (3х3 мм), що полегшує його монтаж на плату. На відміну від нього, HDC1000 і HDC1008 виконані в мініатюрному корпусі DBGA (2х1,66 мм), в якому преосвітній елемент розташований в нижній частині мікросхеми. Таке розташування датчика дозволяє зменшити вплив зовнішніх чинників - бруду і пилу - на результати вимірювання. При використанні HDC1000 і HDC1008 у розробника є можливість використовувати до чотирьох пристроїв на одній шині I2C, завдяки тому, що адреса пристрою задається за допомогою додаткових зовнішніх висновків.
Мал. 5. Отладочная плата HDC1000
Для проведення експериментів з датчиками вологості компанія TI надає налагоджувальні плати HDC1000EVM і HDC1050EVM (Малюнки 5 і 6). Плати надаються спільно з ПО. Для того щоб датчик можна було використовувати в умовах, максимально наближених до реальних, на отладочной платі присутній перфорація, що дозволяє від'єднати датчик від плати і підключитися до нього за допомогою 5-проводового кабелю.
Мал. 6. Програмний інтерфейс отладочной плати HDC1000
датчики освітленості
Ще одним закінченим рішенням в лінійці датчиків, пропонованих Texas Instruments, є ALS (Ambient Light Sensors) - датчик інтенсивності навколишнього освітлення OPT3001 . OPT3001 надає дані про навколишній освітленні в цифровому вигляді. Для цього в мікросхему інтегрований фотодіод, сигнальний тракт, цифровий перетворювач і цифровий інтерфейс. Мікросхема OPT3001 застосовується для управління освітленням в різних системах і пристроях, починаючи від планшетів і телефонів і закінчуючи автоматизацією вуличного і будинкового освітлення. За допомогою OPT3001 можна підвищити ефективність використання освітлення, виходячи з умов навколишнього середовища.
Для комунікації в датчику використовується інтерфейс I2C, що відображає дані про рівень освітленості в люксах. Особливістю OPT3001 є відповідність результатів вимірювання інтенсивності її рівню, що приймається людиною. Завдяки використанню фільтра, переважної практично весь інфрачервоний спектр (> 99%), результати вимірювання інтенсивності освітлення практично повністю відповідають спектру, що приймається людським оком (малюнки 7 і 8).
Мал. 7. Спектр сприйнятливості людського
очі і OPT3001
Мал. 8. Зовнішній вигляд датчика OPT3001
Використовувана конструкція фотоелемента і оптичного фільтра крім придушення інфрачервоній частині спектра забезпечує несприйнятливість до незначних оптичним неоднородностям, що виникають при появі пилу або подряпин. Щоб отримати широкий діапазон вимірювань освітленості 0,01 ... 83 лк, в датчик вбудований підсилювач зі змінним коефіцієнтом посилення (малюнок 9). Коефіцієнт посилення можна як задати самостійно, так і встановити функцію автоматичної корекції посилення. Автоматичний режим зменшує ручне управління при проведенні вимірювань, підбираючи оптимальний режим роботи підсилювача за допомогою установки одного з можливих значень коефіцієнта посилення.
Мал. 9. Блок-схема OPT3001
Змінний коефіцієнт посилення дозволяє досягти максимального динамічного діапазону в 23 біта. Також датчик має малу електроспоживання балансується 2,5 мкА в діапазоні робочої напруги харчування 1,6 ... 3,6 В. Перелічене, а також можливість формування цифрових переривань при досягненні порогових значень рівня освітлення дозволяє реалізувати рішення з тривалим терміном роботи від однієї батарейки.
отладочная плата OPT3001EVM (Рисунок 10) дозволяє розібратися з усіма режимами роботи датчика освітленості. Налагодження складається з двох частин: плати з датчиком, тестовими висновками і роз'ємом; USB-інтерфейсу. ПО дозволяє зчитувати параметри освітленості і задавати всі необхідні для роботи датчика режими.
Мал. 10. Отладочная плата OPT3001 EVM
Вимірювання індуктивності
Застосування індуктивних датчиків дозволяє реалізувати технологію безконтактного виявлення предметів і вимірювання відстані до них. Єдина відмінність індуктивних датчиків від ємнісних полягає в тому, що індуктивні датчики можуть використовуватися тільки з струмопровідними об'єктами. Як індуктивних датчиків можливе використання будь-котушки індуктивності, починаючи від звичайних моткових котушок, котушок, реалізованих на друкованій платі, або навіть простий металевої пружини. Це дозволяє реалізувати бюджетні, надійні і легко інтегруються рішення малого енергоспоживання. Так як в якості індуктивності може виступати проста пружина, це дає можливість реалізувати вимір ступеня стиснення і розтягування пружин. Однією з переваг використання індуктивних датчиків є їх здатність працювати в умовах підвищеного забруднення. За допомогою індуктивних датчиків можна реалізувати різні органи управління (кнопки, регулятори, перемикачі). Вони застосовуються також в турбінних витратомірах, в драйверах двигунів.
У номенклатурі Texas Instruments представлений широкий ряд мікросхем, що перетворюють величину індуктивності зовнішньої котушки в цифровий вихідний код (таблиця 3). Крім вимірювання самої величини індуктивності, дані перетворювачі можуть надавати дані про величину паралельного опору резонансного контуру.
Таблиця 3. Характеристики сімейства LDC
Найменування LDC1000 LDC1041 LDC1051 LDC1101 LDC1312 LDC1314 LDC1612 LDC1614 Кількість стрічок 1 2 4 2 4-струм споживання тип., МА 1,7 2 2,1 Напруга живлення, В 1,8 ... 5,25 1,71 ... 3,46 2,7 ... 3,6 Інтерфейс SPI I2C Максимальна розрядність , біт 24 8 24 12 28 Частота перетворювача, МГц 0,005 ... 5 0,5 ... 10 0,001 ... 10 Струм в режимі очікування, тип., мкА 250 150 35 Діапазон температур, ° C -40 ... 125 Корпус WSON VSON WSON WQFN WSON WQFN
У лінійці перетворювачів «індуктивність-код» слід виділити багатоканальні рішення - LDC1312 / 4 і LDC1612 / LDC1614 (рисунок 11). Багатоканальні мікросхеми призначені для застосувань, де використовується більше двох датчиків для визначення горизонтального переміщення або визначається кут повороту. Мікросхеми LDC1ХХХ позбавляють від необхідності використовувати зовнішній мультиплексор, а також дозволяють компенсувати вплив зовнішніх факторів на результати вимірювання. Широкий діапазон застосовуваних частот 0,001 ... 10 МГц дозволяє використовувати мікросхеми LDC131Х і LDC161Х з більш широким спектром индуктивностей, ніж LDC1000, чий діапазон збуджуючих частот становить 0,005 ... 5 МГц. Крім того, висока розрядність 28 біт (LDC161Х) дозволяє збільшити чутливість датчиків. За рахунок збільшеної швидкості вибірки (13,3 Квиб. / С) LDC131x будуть затребувані в рішеннях, де необхідне швидке відстеження положення об'єкта. При цьому багатоканальні рішення сприяють оптимізації енергоспоживання, так як крім активного режиму (2 мА) і режиму очікування (35 мкА) в них доступний режим зупинки. У цьому режимі (shutdown), який активується через додатковий висновок мікросхеми, струм споживання становить 200 нА.
Мал. 11. Функціональна блок-схема: а) LDC1612, LDC1614; б) LDC1101
Серед одноканальних рішень LDC1101 забезпечує найбільшу швидкість вимірювання - 156 Квиб. / С. При цьому мінімальна робоча напруга дорівнює 1,7 В, що дозволяє використовувати його в системах з харчуванням 1,8 В. Також в LDC1101, на відміну від інших мікросхем лінійки LDC1000, є можливість активування режиму зупинки. В режимі зупинки споживаний струм зменшується до 1,4 мкА, це дозволяє значно зменшити енергоспоживання в разі, коли не потрібно проведення безперервних вимірювань.
Texas Instrumens предлагает набор НАЛАГОДЖУВАЛЬНА ЗАСОБІВ LDC1101EVM , LDC1614EVM , LDC1314EVM (Рисунок 12). Налагодження плати, крім самої мікросхеми перетворювача індуктивності, містять індуктивний датчик і модуль сполучення з комп'ютером на базі MSP430F5528 . Для роботи з платою надається ПО, яке допоможе розібратися з особливостями роботи.
Мал. 12. Отладочная плата LDC1101EVM
ультразвукові вимірювання
Ультразвукові метрологічні технології грунтуються на вимірі часу між моментом посилки і повернення ультразвукового сигналу, відбитого від цілі. Даний інтервал називається часом прольоту (ToF, Time of Flight) і визначається відстанню, яке проходить ультразвукової сигнал до об'єкта, і швидкістю поширення сигналу. При цьому, слід враховувати що швидкість поширення сигналу залежить від стану середовища, через яку передається сигнал (швидкість потоку, температура, концентрація речовини і так далі). Даний метод, заснований на рівнянні t = S / v, може бути використаний для вимірювання рівня рідини, аналізу складу рідини або газу, швидкості потоку речовини, відстані.
Основні переваги ультразвукових вимірювань:
- безконтактний неруйнівний метод тестування;
- висока точність;
- незалежність від вібрацій;
- простота дизайну;
- можливість використання з будь-якими типами матеріалів.
Для реалізації пристроїв, що використовують ультразвуковий метод вимірювання, TI надає ряд рішень. На одному з них базується сімейство TDC. На сьогоднішній день в цьому сімействі представлені три мікросхеми: TDC1000 , TDC1011 и TDC7200 (Рисунок 13).
а)
б)
Мал. 13. Функціональна блок-схема: а) TDC1000; б) TDC7200
TDC1000 і TDC1011 є аналоговими модулями сполучення. Їх основне завдання - створення збудливого напруги для п'єзоелемента і реєстрація часу початку посилки і отримання відгуку. Результатом роботи мікросхеми є тимчасові мітки на висновках START і STOP. Для обчислення часу між мітками необхідний додатковий перетворювач. Його роль може бути виконана або зовнішнім мікро контролером, або перетворювачем TDC7200. Основною відмінністю між TDC1000 і TDC1011 є кількість каналів для підключення п'єзоелемента. У TDC1000 цих каналів два, у TDC1011 - тільки один. У всьому іншому, включаючи внутрішню архітектуру, мікросхеми ідентичні. Для управління параметрами мікросхем використовується SPI-інтерфейс, через який можна задати частоту збуджуючих імпульсів передавача в діапазоні частот 0,031 ... 4 МГц, їх амплітуду і форму обвідної, а також оптимальний режим приймача. Гнучкість налаштування дозволяє реалізувати рішення в різних середовищах, не прив'язуючись до конкретних розмірів вимірювальної камери. Серед основних технічних параметрів мікросхем слід виділити діапазон виміру до 8 мс, робочий струм 1,8 мкА при 2 виб. / С, тимчасової шум 50 пс, програмований поріг вхідного сигналу, можливість підключення двох резистивних температурних датчиків.
Гарним доповненням до TDC1000 / TDC1011 є TDC7200. TDC7200 - перетворювач «час-код» (TDC, Time to Digital Converter). Основною функцією перетворювача є фіксація і вимір часу. У TDC7200 реалізована можливість вимірювати до п'яти тимчасових інтервалів між мітками START і STOP. Так як в більшості випадків для збудження пьезодатчика використовується серія імпульсів, внаслідок чого можливе отримання паразитного відгуку, то вимір декількох тимчасових інтервалів дозволяє вибрати відгук з найкращою якістю відбитого сигналу.
Вимірювання декількох інтервалів дає можливість підвищити точність вимірювання, вибравши сигнал з найкращим відгуком. Пикосекундной точність вимірювання, що досягається за рахунок внутрішньої самокалібрування перетворювача, ідеально підходить для витратомірів, в яких необхідно вимірювати нульові і дуже малі потоки з високою точністю. Спільне використання TDC1000 / TDC1011 і TDC7200 дає можливість реалізувати систему c малим споживанням, високою точністю і хорошою повторюваністю параметрів.
Для експерименту з ультразвуковими вимірами компанія TI пропонує скористатися налагоджувальними платами TDC1000-C2000EVM и TDC1000-TDC7200EVM (Рисунок 14). Також розробникам надається ПЗ, що дозволяє отримати доступ до всіх налаштувань мікросхем.
Мал. 14. Отладочная плата TDC1000-TDC7200EVM
Висновок
Представлені рішення з використанням цифрових перетворювачів дозволяють вирішити безліч завдань, пов'язаних з вимірюванням відстані до об'єкта, визначення місця розташування, аналізу складу речовини за допомогою різних технологій - вимірювання ємності, індуктивності, часу поширення ультразвуку. Вибір конкретного рішення залежить від поставлених завдань, для простоти реалізації яких компанія Texas Instruments надає налагоджувальні засоби та комплектуючі, ПЗ, що дозволяє легко розібратися з умовами застосування мікросхем.
Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .
Групи товарів: датчики
Про компанію Texas Instruments
В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі