Inductance-to-digital converter, la rivoluzione nei sensori

SENSORISTICA –

Utilizzando un approccio originale e creativo, Texas Instruments ha sviluppato un chip capace di convertire una serie di grandezze induttive, generate da una bobina, in un valore digitale ad alta risoluzione.

Più che un prodotto, Texas Instruments presenta una soluzione applicativa che potrebbe rivoluzionare il modo in cui siamo abituati a considerare il rilevamento delle grandezze fisiche. La grande novità sta in un approccio architetturale che ha dell'incredibile per semplicità e flessibilità, ma cui fino ad ora non aveva pensato nessuno. Il classico "uovo di Colombo", che non a caso vede un contributo importante del team italiano di Texas Instruments. In pratica si tratta di un chip capace di convertire una serie di grandezze induttive, generate da una semplice bobina, in un valore digitale ad alta risoluzione. Si tratta di un approccio originale e creativo, che ha spinto Texas a creare una categoria di prodotto totalmente nuova: "inductance-to-digital converter" o Ldc.

Soluzioni di sensing del futuro
La proposta prevede attualmente il chip LDC1000 - contenente tutte le interfacce e i circuiti di condizionamento, conversione e comunicazione con un Mcu esterno - e una serie di ausili on-line a supporto della progettazione. Texas Instruments ovviamente ha già definito una roadmap di prodotto: per ora le direzioni di sviluppo sono riservate, ma è facile intuire che a breve saranno lanciate nuove configurazioni tagliate sulla base dei numerosissimi feedback applicativi che la società sta acquisendo dai clienti, molti dei quali italiani. Il chip può convertire in valori digitali le variazioni dei parametri elettrici di un semplice elemento induttivo separato, prodotte dalla vicinanza di un "target" metallico. I due valori rilevati dal chip sono la corrente induttiva di perdita (Rp) e l'induttanza (L), i quali vengono convertiti con una risoluzione rispettivamente di 16 e 24 bit. Il progettista del sistema può concentrarsi esclusivamente sul posizionamento dell'elemento sensore (una bobina, un pista su Pcb, una molla meccanica, o anche un semplicissimo filo elettrico), il quale può essere dislocato anche lontano dal chip, in punti precedentemente preclusi ai componenti elettronici o elettromeccanici tradizionali. Il sensing induttivo è una tecnologia contact-less, a corto raggio (totalmente immune Emi e Rfi) che consente il rilevamento affidabile, a basso costo e ad alta risoluzione, di oggetti conduttori, anche in condizioni ostili, o in presenza di polvere, sporco, olio, umidità e così via. La tecnologia induttiva permette una misurazione precisa di parametri quali posizione lineare/angolare, presenza, spostamento, movimento, compressione, deformazione, vibrazione e così via. Ma non solo: grazie alle proprietà magnetiche di molti materiali è possibile effettuare anche rilevamenti di composizione e densità, mettendo in luce, per esempio, la presenza di determinati livelli di un certo metallo. Già da queste poche spiegazioni emergono moltissime caratteristiche che i progettisti possono sfruttare a loro vantaggio per sviluppare soluzioni di sensing sino ad oggi inimmaginabili.

Applicazioni tipiche
Come detto, uno o più LDC permettono di rilevare la presenza di un target con un'elevatissima risoluzione. Il progettista deve solamente determinare una corrispondenza tra i 2 valori digitali (Rp e L, a 16 e 24 bit) generati dal convertitore induttivo e i valori lineari corrispondenti ai parametri che desidera misurare.
In un'applicazione di misura della distanza assiale il dispositivo permette di valutare la posizione del target, fornendo una risposta proporzionale alla distanza. Il target può essere anche un oggetto sagomato, per esempio un ingranaggio, il che consente di trasformare le variazioni di distanza legate al profilo in informazioni di frequenza o velocità. Combinando più circuiti è possibile stabilire un'inclinazione o un posizionamento su più assi. In un'applicazione di valutazione della posizione longitudinale del target, profilato in modo opportuno, sempre sfruttando il profilo del target, è possibile stabilire la relativa posizione angolare. In entrambi i casi sono possibili rilevamenti multipli semplicemente combinando più sensori e più LDC. Grazie al rilevamento dei parametri induttivi, l'LDC consente anche di misurare compressioni, estensioni e deformazioni, utilizzando come elemento sensore una molla. L'applicazione può essere utile per misurare la presenza di una variazione con una risoluzione elevatissima. Per esempio, nel letto di un degente si possono rilevare le variazioni determinate anche dal respirare. Infine è possibile rilevare la presenza di materiali con proprietà magnetiche all'interno di fluidi o solidi, proprietà utile per esempio nei sistemi di vending o addirittura negli apparati elettromedicali.

Esplorare le funzionalità dell'LDC
Texas Instruments mette a disposizione un modulo di valutazione e un programma che consentono di esplorare le varie funzionalità dell'LDC e sviluppare prototipi completi. Il modulo di valutazione - che si collega al Pc dove risiede il software di controllo via Usb - comprende una bobina da 14 mm su Pcb a due livelli. La bobina e il convertitore possono essere staccati dall'Mcu per implementare altre soluzioni personalizzate. Oltre al modulo di valutazione è disponibile un ampio ecosistema di tool e supporti. Prima di tutto il minisito dedicato, dove è disponibile un calcolatore che permette di definire la conformazione delle bobine in base ad alcuni parametri dimensionali. Dal sito è possibile scaricare gratuitamente il software Inductive Sensing Designer Webench: il tool semplifica il processo di progettazione e fornisce impostazioni di configurazione per l'LDC in base alle caratteristiche della bobina, ai requisiti dell'applicazione e alle esigenze di prestazioni del sistema. Dal sito si accede anche all'Inductive Sensing Forum E2E, dove è possibile porre domande, condividere conoscenze e risolvere i problemi con l'ausilio degli altri utenti.

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