Датчики и преобразователи Texas Instruments: разнообразие решений для всех типов измерений. Часть 1

12 ноября 2015

Texas Instrumentsстатья

Емкостные датчики для измерения расстояния, уровня жидкости или присутствия; датчики влажности/температуры; датчики интенсивности окружающего освещения, датчики индуктивности для обнаружения токопроводящих объектов и измерения расстояния до них – это лишь небольшая часть линейки надежных и качественных интегральных датчиков производства компании Texas Instruments.

Сегодняшний день немыслим без всевозможных датчиков, которые помогают исследовать окружающую нас среду. Датчики помогают преобразовать аналоговые физические величины в цифровой поток для дальнейшей обработки. Независимо от того, что именно необходимо измерять, в номенклатуре Texas Instruments найдется множество решений. Для измерения всевозможных параметров в микросхемах Texas Instruments применяются различные методы и технологии. Существующие решения включают измерения с помощью емкостных, индуктивных, ультразвуковых датчиков, тензодатчиков, датчиков температуры, фотодиодов, датчиков Холла, но не ограничиваются ими.

Использование емкостных датчиков

Решения, применяющие различные способы измерения емкости, набирают популярность. Это можно отметить на примере таких устройств, как датчики присутствия, устройства распознавания жестов, устройства для анализа материалов и определения уровня жидкости. Главное отличие метода, основанного на измерении емкости, от других заключается в том, что его можно применять совместно с различными материалами – как токопроводящими, так и не проводящими ток. Метод позволяет проводить бесконтактные измерения. При этом возможно определение больших расстояний при малых размерах датчика. В качестве измерительного элемента может быть использован любой проводящий элемент – это дает возможность создавать легко интегрируемые бюджетные системы. Кроме того, используя современную элементную базу, можно добиться достаточно высокой точности измерения.

Для реализации емкостных датчиков Texas Instruments предлагает шесть микросхем, реализующих преобразование «емкость-код». Их краткие характеристики даны в таблице 1.

Таблица 1. Параметры семейства преобразователей «емкость-код»

Наименование FDC1004 FDC2212 FDC2214 FDC2112 FDC2114
Количество каналов 4 2 4 2 4
Входной диапазон тип., пФ ±15 250000
Разрядность, бит 24 28 28 12 12
Каналы для экрана 2
Напряжение питания мин., В 3 2,7 2,7 2,7 2,7
Напряжение питания макс., В 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6
Ток потребления тип., мА 0,75 2,1 2,1 2,1 2,1
Ток в режиме ожидания тип., мкА 29 35 35 35 35
Ток в режиме остановки тип., нА 200 200 200 200
Интерфейс I2C
Частота выборки данных тип., выб./с 100/200/400 40…4080 40…4080 40…13300 40…13300
Рабочий диапазон температур, °C -40…125
Корпус 10VSSOP; 10WSON 12WSON 16WQFN 12WSON 16WQFN

Кроме различия в характеристиках представленных микросхем, стоит обратить внимание на некоторые отличия внутренней архитектуры (рисунок 1) и алгоритма измерения. Так, например, в FDC1004 для измерения используется принцип заряда-разряда емкости, величина емкости измеряется посредством измерения напряжения. В микросхемах FDC2x1x емкость измеряется посредством измерения частоты.

а)

а)

б)

б)

Рис. 1. Структурная схема и пример подключения датчиков: а) FDC1004; б) FDC2x1x

Среди особенностей FDC1004 следует отметить наличие четырех каналов измерения, возможность компенсации паразитной емкости и применение активного экранирования. Компенсация паразитной емкости востребована при построении систем с применением удаленных датчиков. С помощью внутренней схемотехники FDC1004 можно компенсировать внешнюю паразитную емкость до 100 пФ. Кроме того, два дополнительных драйвера экрана позволяют уменьшить влияние внешних факторов на результаты измерения и сузить зону восприимчивости датчика, тем самым повысив точность измерений. При помощи активного драйвера экрана создается эквипотенциальное поле, что исключает влияние внешних нежелательных факторов на линию передачи. Драйверы экрана могут работать с емкостной нагрузкой до 400 пФ. Если же емкость экрана будет выше указанной – эффективность его использования будет не столь очевидной. При этом следует учитывать, что эффективная разрядность у FDC1004 составляет порядка 16 бит. Такой разрядности достаточно, чтобы, используя недорогой токопроводящий сенсор, обнаруживать удаленные объекты.

Линейка микросхем FDC2x1x разработана с учетом уменьшения влияния внешних электромагнитных возмущений и обеспечивает возможность реализации высокоточных быстрых преобразователей емкости. Для обеспечения усиленной защиты от внешних электромагнитных воздействий в микросхемах используется решение с узкополосным входным каскадом, что позволяет обеспечить высокий уровень подавления шума и помех, при этом сохранив скорость и точность преобразования. Для измерения емкости предусмотрено использование широкого диапазона возбуждающих частот 0,001…10 МГц. Высокая частота возбуждения (10 МГц) дает возможность использовать представленное решение совместно с токопроводящими жидкостями. Внутри самой линейки FDC2x1x также есть ряд отличий: FDC221x предназначена для применений, в которых требуется высокая точность (до 28 бит), тогда как FDC211x позволяет достичь большей скорости измерения (до 13 квыб./с) и предназначена для изделий, где необходимо отслеживать быстрое перемещение наблюдаемого объекта. Широкий диапазон входных емкостей до 250 нФ позволяет использовать данное решение для реализации датчиков с большими размерами или же использовать удаленные датчики, где емкость проводов вносит значительный вклад в общее значение емкости. Так как величина измеряемой входной емкости достаточно велика, реализация емкостного датчика окружающей среды не составит большого труда.

Несмотря на повышенные скорость измерения и точность, в линейке FDC2x1x нет возможности использовать емкостные датчики с активным экраном, поэтому для решений, где важно исключить влияние человека на результаты измерения, лучше использовать FDC1004.

Рис. 2. Пример отладочной платы FDC1004

Рис. 2. Пример отладочной платы FDC1004

Для получения опыта работы с решениями Texas Instruments для измерения емкости компания предлагает наборы отладочных плат FDC1004EVM и FDC2114EVM с USB-подключением. Особенностью отладочных плат является их модульность. Любой элемент, будь то датчик или управляющий микроконтроллер, можно отсоединить от исследуемой микросхемы FDC, и подсоединить собственный. Совместно с отладкой компания TI предлагает использовать ПО, которое позволяет подключиться к отладочной плате и исследовать ее возможности (рисунки 2 и 3).

Рис. 3. Внешний вид окна ПО

Рис. 3. Внешний вид окна ПО

Датчики влажности

Одной из разновидностей емкостного датчика может быть датчик влажности. Его основная задача – определение количества водяного пара/влаги в воздухе. Так как диэлектрическая проницаемость линейно зависима от содержания влаги в веществе, то, следя за изменением величины емкости, можно определить влажность окружающей среды. Датчики влажности находят широкое применение во многих системах управления технологическими процессами и контроля параметров окружающей среды в зданиях и автомобилях, системах климат-контроля и дистанционных метеостанциях.

а)

а)

б)

б)

Рис. 4. Функциональная схема: а) HDC1050; б) HDC1000

На сегодняшний день в линейке Texas Instruments имеются три микросхемы, позволяющие измерять влажность: HDC1000, HDC1008, HDC1050 (рисунок 4). Датчики являются законченным изделием, не требуют дополнительных внешних преобразователей и позволяют достичь ±3% точности при измерении влажности. Так как относительная влажность напрямую связана с температурой окружающей среды, то, кроме влажности, они позволяют дополнительно измерять температуру. Основные параметры датчиков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры датчиков влажности Texas Instruments

Наименование HDC1000 HDC1008 HDC1050
Точность измерения влажности тип., % ± 3 ± 4 ± 3
Диапазон измерения влажности тип.,% 0…100
Точность измерения температуры тип., °C ±0,2
Напряжение питания, В 2,7…5,5
Средний ток потребления тип., мкА 1,2 @ 1 выб./с
Интерфейс I2C
Рабочий диапазон температур, °C -40…125
Корпус DSBGA DSBGA WSON

Для всех представленных датчиков влажности характерно малое энергопотребление как в рабочем режиме (1,2 мкА), так и в режиме ожидания (~100 нА), поэтому они могут быть использованы в устройствах с батарейным питанием. Помимо этого, малое энергопотребление позволяет избежать влияния самонагрева на результаты измерения.

Точность измерения датчиков зависит от выбранного времени преобразования и может составлять 8…14 бит при измерении влажности и 11…14 бит при измерении температуры. При помощи регистра конфигурации можно задать один из трех вариантов длительности преобразования: 2,5, 3,85 и 6,5 мс. Наибольшая точность достигается при установке времени преобразования 6,5 мс. Относительно точности измерения следует отметить, что, несмотря на заявленный рабочий температурный диапазон -40…125°С, точность измерения влажности гарантируется только в диапазоне температур -40…60°С. При этом в случае изменения температуры точность сохраняется во всем диапазоне.

Для коммуникации с внешним микроконтроллером в датчиках используется интерфейс I2C. С помощью данного интерфейса задаются параметры работы микросхемы и считываются данные. Кроме измеренных параметров влажности и температуры, данные содержат информацию о понижении напряжения питания микросхемы ниже заданного порога. При снижении напряжения питания менее 2,8 В в пакете данных формируется специальный флаг. Благодаря этому можно вовремя заметить проблему и заменить батарею.

Нагревательный элемент, встроенный в датчик, предназначен для тестирования функциональности и для удаления конденсата. Он также полезен для компенсации возможного сдвига данных измерения при длительном нахождении датчика в условиях повышенной влажности.

Среди основных различий между датчиками влажности Texas Instruments следует отметить используемый корпус, место размещения емкостного измерительного датчика, возможность адресации шины I2C. Так, HDC1050 выполнен в 6-выводном корпусе WSON (3х3 мм), что облегчает его монтаж на плату. В отличие от него, HDC1000 и HDC1008 выполнены в миниатюрном корпусе DBGA (2х1,66 мм), в котором преобразовательный элемент расположен в нижней части микросхемы. Такое расположение датчика позволяет уменьшить влияние внешних факторов – грязи и пыли – на результаты измерения. При использовании HDC1000 и HDC1008 у разработчика есть возможность использовать до четырех устройств на одной шине I2C, благодаря тому, что адрес устройства задается с помощью дополнительных внешних выводов.

Рис. 5. Отладочная плата HDC1000

Рис. 5. Отладочная плата HDC1000

Для проведения экспериментов с датчиками влажности компания TI предоставляет отладочные платы HDC1000EVM и HDC1050EVM (рисунки 5 и 6). Платы предоставляются совместно с ПО. Для того чтобы датчик можно было использовать в условиях, максимально приближенных к реальным, на отладочной плате присутствует перфорация, позволяющая отсоединить датчик от платы и подключиться к нему с помощью 5-проводного кабеля.

Рис. 6. Программный интерфейс отладочной платы HDC1000

Рис. 6. Программный интерфейс отладочной платы HDC1000

Датчики освещенности

Еще одним законченным решением в линейке датчиков, предлагаемых Texas Instruments, является ALS (Ambient Light Sensors) – датчик интенсивности окружающего освещения OPT3001. OPT3001 предоставляет данные об окружающем освещении в цифровом виде. Для этого в микросхему интегрирован фотодиод, сигнальный тракт, цифровой преобразователь и цифровой интерфейс. Микросхема OPT3001 применяется для управления освещением в различных системах и устройствах, начиная от планшетов и телефонов и заканчивая автоматизацией уличного и домового освещения. С помощью OPT3001 можно повысить эффективность использования освещения, исходя из условий окружающей среды.

Для коммуникации в датчике используется интерфейс I2C, отображающий данные об уровне освещенности в люксах. Особенностью OPT3001 является соответствие результатов измерения интенсивности ее уровню, воспринимаемому человеком. Благодаря использованию фильтра, подавляющего практически весь инфракрасный спектр (>99%), результаты измерения интенсивности освещения практически полностью соответствуют спектру, воспринимаемому человеческим глазом (рисунки 7 и 8).

Рис. 7. Спектр восприимчивости человеческого глаза и OPT3001

Рис. 7. Спектр восприимчивости человеческого
глаза и OPT3001

Рис. 8. Внешний вид датчика OPT3001

Рис. 8. Внешний вид датчика OPT3001

Используемая конструкция фотоэлемента и оптического фильтра кроме подавления инфракрасной части спектра обеспечивает невосприимчивость к незначительным оптическим неоднородностям, возникающим при появлении пыли или царапин. Чтобы получить широкий диапазон измерений освещенности 0,01…83 лк, в датчик встроен усилитель с переменным коэффициентом усиления (рисунок 9). Коэффициент усиления можно как задать самостоятельно, так и установить функцию автоматической коррекции усиления. Автоматический режим уменьшает ручное управление при проведении измерений, подбирая оптимальный режим работы усилителя с помощью установки одного из возможных значений коэффициента усиления.

Рис. 9. Блок-схема OPT3001

Рис. 9. Блок-схема OPT3001

Переменный коэффициент усиления позволяет достичь максимального динамического диапазона в 23 бита. Также датчик обладает малым электропотреблением 2,5 мкА в диапазоне рабочего напряжения питания 1,6…3,6 В. Перечисленное, а также возможность формирования цифровых прерываний при достижении пороговых значений уровня освещения позволяет реализовать решения с длительным сроком работы от одной батарейки.

Отладочная плата OPT3001EVM (рисунок 10) позволяет разобраться со всеми режимами работы датчика освещенности. Отладка состоит из двух частей: платы с датчиком, тестовыми выводами и разъемом; USB-интерфейса. ПО позволяет считывать параметры освещенности и задавать все необходимые для работы датчика режимы.

Рис. 10. Отладочная плата OPT3001 EVM

Рис. 10. Отладочная плата OPT3001 EVM

Измерение индуктивности

Применение индуктивных датчиков позволяет реализовать технологию бесконтактного обнаружения предметов и измерения расстояния до них. Единственное отличие индуктивных датчиков от емкостных заключается в том, что индуктивные датчики могут использоваться только с токопроводящими объектами. В качестве индуктивных датчиков возможно использование любой катушки индуктивности, начиная от обычных моточных катушек, катушек, реализованных на печатной плате, или даже простой металлической пружины. Это позволяет реализовать бюджетные, надежные и легко интегрируемые решения малого энергопотребления. Так как в качестве индуктивности может выступать простая пружина, это дает возможность реализовать измерение степени сжатия и растяжения пружин. Одним из преимуществ использования индуктивных датчиков является их способность работать в условиях повышенного загрязнения. С помощью индуктивных датчиков можно реализовать различные органы управления (кнопки, регуляторы, переключатели). Они применяются также в турбинных расходомерах, в драйверах двигателей.

В номенклатуре Texas Instruments представлен широкий ряд микросхем, преобразующих величину индуктивности внешней катушки в цифровой выходной код (таблица 3). Кроме измерения самой величины индуктивности, данные преобразователи могут предоставлять данные о величине параллельного сопротивления резонансного контура.

Таблица 3. Характеристики семейства LDC

Наименование LDC1000 LDC1041 LDC1051 LDC1101 LDC1312 LDC1314 LDC1612 LDC1614
Количество каналов 1 2 4 2 4
Ток потребления тип., мА 1,7 2 2,1
Напряжение питания, В 1,8…5,25 1,71…3,46 2,7…3,6
Интерфейс SPI I2C
Максимальная разрядность, бит 24 8 24 12 28
Частота преобразователя, МГц 0,005…5 0,5…10 0,001…10
Ток в режиме ожидания, тип., мкА 250 150 35
Диапазон температур, °C -40…125
Корпус WSON VSON WSON WQFN WSON WQFN

В линейке преобразователей «индуктивность-код» следует выделить многоканальные решения – LDC1312/4 и LDC1612/LDC1614 (рисунок 11). Многоканальные микросхемы предназначены для применений, где используется более двух датчиков для определения горизонтального перемещения либо определяется угол поворота. Микросхемы LDC1ХХХ избавляют от необходимости использовать дополнительный внешний мультиплексор, а также позволяют компенсировать влияние внешних факторов на результаты измерения. Широкий диапазон применяемых частот 0,001…10 МГц позволяет использовать микросхемы LDC131Х и LDC161Х с более широким спектром индуктивностей, чем LDC1000, чей диапазон возбуждающих частот составляет 0,005…5 МГц. Кроме того, высокая разрядность 28 бит (LDC161Х) позволяет увеличить чувствительность датчиков. За счет увеличенной скорости выборки (13,3 квыб./с) LDC131x будут востребованы в решениях, где необходимо быстрое отслеживание положения объекта. При этом многоканальные решения способствуют оптимизации энергопотребления, так как кроме активного режима (2 мА) и режима ожидания (35 мкА) в них доступен режим остановки. В этом режиме (shutdown), который активируется через дополнительный вывод микросхемы, ток потребления составляет 200 нА.

Рис. 11. Функциональная блок-схема: а) LDC1612, LDC1614; б) LDC1101

Рис. 11. Функциональная блок-схема: а) LDC1612, LDC1614; б) LDC1101

Среди одноканальных решений LDC1101 обеспечивает наибольшую скорость измерения – 156 квыб./с. При этом минимальное рабочее напряжение равняется 1,7 В, что позволяет использовать его в системах с питанием 1,8 В. Также в LDC1101, в отличие от других микросхем линейки LDC1000, есть возможность активирования режима остановки. В режиме остановки потребляемый ток уменьшается до 1,4 мкА, это позволяет значительно уменьшить энергопотребление в случае, когда не требуется проведения непрерывных измерений.

Texas Instrumens предлагает набор отладочных средств LDC1101EVM, LDC1614EVM, LDC1314EVM (рисунок 12). Отладочные платы, помимо самой микросхемы преобразователя индуктивности, содержат индуктивный датчик и модуль сопряжения с компьютером на базе MSP430F5528. Для работы с платой предоставляется ПО, которое поможет разобраться с особенностями работы.

Рис. 12. Отладочная плата LDC1101EVM

Рис. 12. Отладочная плата LDC1101EVM

Ультразвуковые измерения

Ультразвуковые метрологические технологии основываются на измерении времени между моментом посылки и возвращения ультразвукового сигнала, отраженного от цели. Данный интервал называется временем пролета (ToF, Time of Flight) и определяется расстоянием, которое проходит ультразвуковой сигнал до объекта, и скоростью распространения сигнала. При этом, следует учитывать что скорость распространения сигнала зависит от состояния среды, через которую передается сигнал (скорость потока, температура, концентрация вещества и так далее). Данный метод, основанный на уравнении t = S/v, может быть использован для измерения уровня жидкости, анализа состава жидкости или газа, скорости потока вещества, расстояния.

Основные преимущества ультразвуковых измерений:

  • бесконтактный неразрушающий метод тестирования;
  • высокая точность;
  • независимость от вибраций;
  • простота дизайна;
  • возможность использования с любыми типами материалов.

Для реализации устройств, использующих ультразвуковой метод измерения, TI предоставляет ряд решений. На одном из них базируется семейство TDC. На сегодняшний день в этом семействе представлены три микросхемы: TDC1000, TDC1011 и TDC7200 (рисунок 13).

а)

а)

б)

б)

Рис. 13. Функциональная блок-схема: а) TDC1000; б) TDC7200

TDC1000 и TDC1011 являются аналоговыми модулями сопряжения. Их основная задача – создание возбуждающего напряжения для пьезоэлемента и регистрация времени начала посылки и получения отклика. Результатом работы микросхемы являются временные метки на выводах START и STOP. Для вычисления времени между метками необходим дополнительный преобразователь. Его роль может быть выполнена либо внешним микроконтроллером, либо преобразователем TDC7200. Основным отличием между TDC1000 и TDC1011 является количество каналов для подключения пьезоэлемента. У TDC1000 этих каналов два, у TDC1011 – только один. Во всем другом, включая внутреннюю архитектуру, микросхемы идентичны. Для управления параметрами микросхем используется SPI-интерфейс, через который можно задать частоту возбуждающих импульсов передатчика в диапазоне частот 0,031…4 МГц, их амплитуду и форму огибающей, а также оптимальный режим приемника. Гибкость настройки позволяет реализовать решение в различных средах, не привязываясь к конкретным размерам измерительной камеры. Среди основных технических параметров микросхем следует выделить диапазон измерения до 8 мс, рабочий ток 1,8 мкА при 2 выб./с, временной шум 50 пс, программируемый порог входного сигнала, возможность подключения двух резистивных температурных датчиков.

Хорошим дополнением к TDC1000/TDC1011 является TDC7200. TDC7200 – преобразователь «время-код» (TDC, Time to Digital Converter). Основной функцией преобразователя является фиксация и измерение времени. В TDC7200 реализована возможность измерять до пяти временных интервалов между метками START и STOP. Так как в большинстве случаев для возбуждения пьезодатчика используется серия импульсов, вследствие чего возможно получение паразитного отклика, то измерение нескольких временных интервалов позволяет выбрать отклик с наилучшим качеством отраженного сигнала.

Измерение нескольких интервалов дает возможность повысить точность измерения, выбрав сигнал с наилучшим откликом. Пикосекундная точность измерения, достигаемая за счет внутренней самокалибровки преобразователя, идеально подходит для расходомеров, в которых необходимо измерять нулевые и очень малые потоки с высокой точностью. Совместное использование TDC1000/TDC1011 и TDC7200 дает возможность реализовать систему c малым потреблением, высокой точностью и хорошей повторяемостью параметров.

Для эксперимента с ультразвуковыми измерениями компания TI предлагает воспользоваться отладочными платами TDC1000-C2000EVM и TDC1000-TDC7200EVM (рисунок 14). Также разработчикам предоставляется ПО, позволяющее получить доступ ко всем настройкам микросхем.

Рис. 14. Отладочная плата TDC1000-TDC7200EVM

Рис. 14. Отладочная плата TDC1000-TDC7200EVM

Заключение

Представленные решения с использованием цифровых преобразователей позволяют решить множество задач, связанных с измерением расстояния до объекта, определения месторасположения, анализа состава вещества с помощью различных технологий – измерения емкости, индуктивности, времени распространения ультразвука. Выбор конкретного решения зависит от поставленных задач, для простоты реализации которых компания Texas Instruments предоставляет отладочные средства и ПО, что позволяет легко разобраться с условиями применения микросхем.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_OPT3001_NE_10_15
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее