Texas Instruments – Sensori e Front End – uno sguardo d'insieme

La Texas Instruments è certamente nota per l'ampia scelta di componenti analogici quali amplificatori operazionali, ADC, DAC, convertitori DC-DC, come anche per i microcontrollori, DSP e microprocessori di fascia alta. Negli ultimi due anni TI ha esteso anche il proprio catalogo di componenti per quanto riguarda i sensori e Front End dedicati a quest'ultimi, permettendo di integrare l'intero “signal path” all'interno di un chip e permettere la lettura di una grandezza analogica per mezzo di una semplice interfaccia digitale. In particolare nel seguito dell'articolo sono descritti alcuni dei componenti introdotti negli ultimi due anni, mesi e settimane, mostrando come l'interesse in quest'ambito e relativi investimenti di risorse, non siano trascurabili. In particolare TI ha una pagina dedicata al sensing, dalla quale poter avviare la propria ricerca (link).
La lista riportata di seguito non  è  né  completa né esaustiva, ed ha il solo scopo di introdurre i sensori e analog Front End più recenti, rimandando alla pagina dei sensori e relativi Datasheet per una visone più completa ed accurata.


Sensori di Temperatura analogici e digitali

Probabilmente quando si pensa ai sensori di temperatura, vengono subito in mente i sensori NTC e l'integrato LM35. In particolare TI, non produce i sensori NTC, ovvero resistori con coefficiente termico negativo bensì quelli noti come analogici lineari e digitali. In particolare il sensore LM35 è prodotto dalla Texas Instruments e rientra nella categoria dei sensori analogici lineari. Oltre al sensore LM35 TI ha recentemente introdotto molti sensori analogici e digitali, sia con interfaccia SPI che I2C. In particolare molti supportano il package TO92 come LM35, rendendoli particolarmente utili in applicazioni da laboratorio. Oltre ai singoli sensori è possibile trovare anche ADC con Front End ottimizzato per misure di temperatura per mezzo di sensori come termocoppie, PT100 e PT1000 (Sensori in Platino).

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Sensori di temperatura ad infrarossi

Oltre ai sensori convenzionali con uscita analogica e digitale basati normalmente sulla variazione di tensione di una giunzione PN al variare della temperatura, TI ha introdotto anche dei sensori ad infrarosso TMP006 e TMP007, pensati per la misura della temperatura senza il contatto con l'oggetto. Le ridotte dimensioni li rendono interessanti per applicazioni come i cellulari. Per un uso pratico in laboratorio bisogna fare affidamento alle schede di sviluppo, dal costo in ogni modo ridotto.

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Scheda di sviluppo


Sensore di umidità

Recentemente TI ha introdotto il Sensore di umidità HDC1000 e HDC1008 che permettono di misurare l'umidità relativa dell'ambiente con un'accuratezza  rispettivamente del ±3% e ±4%. I sensori integrano anche un sensore di temperatura con accuratezza di 0.2°C.
Il sensore di umidità ha la  caratteristica di avere la finestra sensibile nella parte inferiore del chip stesso, proteggendo la stessa. I sensori attualmente presenti sul mercato hanno invece la finestra sensibile posta sul lato superiore del contenitore, per cui essendo a contatto diretto con l'ambiente, possono perdere di accuratezza o non essere più funzionanti, semplicemente perché si viene a depositare della polvere nella finestra. La scheda di sviluppo  è particolarmente compatta ed economica ed è basata su MSP430.

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Scheda di sviluppo


Sensori magnetici Hall

TI ha recentemente introdotto una famiglia di sensori Hall, ovvero di campo magnetico, che permettono di essere utilizzati in varie applicazioni, come per esempio Encoder, interrutori di prossimità e sensori di corrente. La famiglia di sensori nominata DRV5xxx si divide in sottofamiglie a seconda della particolare funzione del sensore. In particolare sono presenti sia sensori con uscita analogico che digitale. Interessante  è il modello con uscita Latch, ovvero la cui l'uscita viene posta ad 1 superata una determinata soglia e per tornare a 0 necessita dell'inversione del campo e il superamento della soglia. I sensori sono forniti sia con Package 2SOT che TO92.

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Sensori Luminosi

TI possiede attualmente due soli sensori di luce, l'OPT101, ereditato dall'acquisizione della società Burr-Brown e il nuovo sensore OPT3001, ottimizzato per avere uno spettro di sensibilità particolarmente simile a quello dell'occhio. Questo secondo, sensore, diversamente dal primo, che ha un'uscita analogica, può essere letto per mezzo del protocollo I2C. Oltre a questi due sensori luminosi nel senso stretto, si consiglia di leggere anche le informazioni relative alle soluzioni ToF (Time of Flight)  e DLP (Digital Micromirror Device) entrambe associate all'illuminotecnica e trasduttori.

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Scheda di sviluppo


Front end per misura di capacità

Molti microcontrollori, tra i quali gli MSP430, possiedono degli ingressi dedicati che possono essere utilizzati per la misura della Capacità. Il principio di funzionamento di tali ingressi speciali si basa sulla possibilità di poter misurare, in combinazione con i timer interni, o la frequenza di oscillazione del circuito oscillante ottenuto per mezzo della capacità esterna o per mezzo della misura della costante di carica o scarica del circuito RC, dove C è variabile. Con questa tipologia di circuiti è possibile avere un'accuratezza dell'ordine del decimo di pF. TI ha recentemente introdotto anche un front end dedicato per la misura della capacità ovvero l'FDC1004 che permette di misurare fino a 4 ingressi single ended o 2 differenziali. Il Front End permette di avere un'accuratezza sulla misura dell'ordine di 0.5fF. Tipiche applicazioni potrebbero essere semplici tasti, rilevamento di umidità, presenza di oggetti metallici, sensori di pressione ottenuti con membrane metalliche.

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Front end per la misura di induttanze

Recentemente TI ha rilasciato un Front End che permette di misurare un'induttanza, ovvero l'LDC1000. In particolare dalla misura della variazione di quest'ultima è possibile realizzare diverse applicazioni. Si possono realizzare interruttori di prossimità, di pressione, encoder lineari, rotazionali. L'accuratezza con cui viene misurata l'induttanza è tale per cui un corpo metallico in prossimità della stessa può essere monitorato nel suo movimento, con un'accuratezza del micrometro.  La caratteristica dell'LDC1000 è quella di poter misurare oltre ad L anche la Rp del circuito risonante equivalente. Queste due informazioni permettono in particolare di poter determinare non solo la presenza di un metallo ma anche la sua composizione. Questa caratteristica rende interessante l'utilizzo dell'LDC1000 anche per il riconoscimento delle monete o leghe metalliche in generale. Altra applicazione interessante è l'utilizzo di una molla nelle veci di un'induttanza, permettendo di rilevarne la sua compressione. Tipiche applicazioni potrebbero essere il rilevamento di un passeggero o una persona sdraiata su un materasso. Online è disponibile anche uno strumento per la realizzazione e dimensionamento dell'induttanza, la quale potrebbe essere realizzata direttamente sul PCB.

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Front End per sensori ad ultrasuoni

Il numero 1000 ritorna in molti degli ultimi Front End di casa TI, in particolare il nuovo Front End per gli ultrasuoni prende il nome di TDC1000. La caratteristica del Front End è quella di integrare sia la circuiteria per pilotare il trasduttore piezoelettrico sia il Front End di ricezione, ovvero LNA (Low Noise Amplifier) e il PGA (Programmable Gain Amplifier). Il Front End può operare con trasduttori con frequenza di risonanza variabile tra 31.25KHz e 4MHz, rendendolo ideale sia per la realizzazione di contatori dell'acqua che del gas. Naturalmente un Front End di questo tipo potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni robotiche permettendo di ottenere un'ottima accuratezza della misura, se abbinato a dei buoni trasduttori. Il Front end può funzionare sia con un solo trasduttore, che viene fatto operare alternativamente come TX e RX, o con due trasduttori separati. Interessante è l'implementazione del Front End per la temperatura, la quale viene convertita in due segnali di Start e Stop, simulando la trasmissione e la ricezione dell'eco del segnale. Questo permette di utilizzare il timer per la misura del tempo, esterno al Front End e presumibilmente accurato, anche per la misura della temperatura. Questa soluzione permette di evitare l'uso di ADC a 16-18bit esterni al Front End.

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Front end per elettromedicali

Sebbene siano sul mercato da diverso tempo è interessante ricordare anche gli Analog Front End dedicati per l'ECG, SPO2, la composizione corporea ed Ecografia. In particolare il Front End  per ECG possiede un numero diverso ingressi a seconda dell'applicazione finale sia un Holter o uno strumento diagnostico completo da sala operatoria. Il Front End è ottimizzato per rilevare il distaccamento degli elettrodi, il controllo della respirazione per mezzo dell'impedenza toracica tra gli elettrodi e la presenza dell'elettrodo per la gamba destra, utilizzato per migliorare il CMRR e l'eliminazione dei rumori. Allo stesso modo il Front End per SPO2 include tutta la circuiteria per pilotare i due LED rosso ed infrarosso, come anche l'amplificatore di transimpedenza (TIA) necessario per il fotodiodo usato in ricezione.

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