Потенциостаты EmStat Pico: когда сопротивление не имеет значения

Создание измерительных цепей для высокоимпедансных датчиков оказывается достаточно сложной задачей, то же самое можно сказать и о низкоомных датчиках с низким выходным напряжением. Для работы с датчиками в широком диапазоне сопротивлений используются особые измерительные приборы – потенциостаты. Компания PalmSens специализируется на производстве компактных потенциостатов, которые легко умещаются на ладони. Одной из наиболее любопытных разработок компании является универсальный потенциостат EmStat Pico, реализованный в виде модуля размером всего 30,5 x 18 x 2,6 мм
1140
В избранное

Создание измерительных цепей для высокоимпедансных датчиков оказывается достаточно сложной задачей, то же самое можно сказать и о низкоомных датчиках с низким выходным напряжением. Для работы с датчиками в широком диапазоне сопротивлений используются особые измерительные приборы – потенциостаты. Компания PalmSens специализируется на производстве компактных потенциостатов, которые легко умещаются на ладони. Одной из наиболее любопытных разработок компании является универсальный потенциостат EmStat Pico, реализованный в виде модуля размером всего 30,5 x 18 x 2,6 мм.

Датчики являются важнейшими элементами измерительных систем. Это чрезвычайно разнообразная группа устройств. Некоторые датчики, как, например, фотодиоды или термопары самостоятельно генерируют выходное напряжение, в то время как другие сенсоры способны изменять свое сопротивление под действием внешних факторов. Сложность работы с тем или иным датчиком зависит от особенностей самого датчика и требуемой точности измерений.

Если выходной сигнал датчика не требует точного измерения, то для работы с ним будет вполне достаточно АЦП или связки из АЦП и простейшего усилителя. Совсем по-другому дело обстоит с низкоомными или высокоомными датчиками, а также с сенсорами, у которых выходное напряжение составляет всего несколько мВ. В таких случаях задача существенно усложняется и требует учета различных особенностей: температурных погрешностей, токов утечки, шумов и т.д. В результате разработчику приходится больше времени уделять схемотехнической реализации устройства и очень ответственно подходить к конструированию печатной платы и выбору компонентов.

Для работы с датчиками с широким диапазоном сопротивлений используют особые измерительные приборы – потенциостаты. В общем случае потенциостат – это прецизионная измерительная система с широкополосным усилителем, обеспечивающая минимальный ток утечки и высокую точность измерений. Стоит отметить, что название «потенциостат» намекает на еще одну особенность этих приборов – способность поддерживать постоянство потенциала на опорном электроде.

В общем случае потенциостат имеет четыре рабочих электрода. Токовый электрод используется для подачи тока на датчик. Вспомогательный электрод необходим для замыкания контура тока. Обычно контур тока замыкается через токоизмерительный резистор. Потенциальный (опорный) электрод – электрод, на котором поддерживается постоянный потенциал и который должен обладать минимальным входным током. Рабочий электрод – электрод, используемый для измерения напряжения на датчике. Стоит отметить, что не во всех потенциостатах присутствуют все четыре электрода. В некоторых случаях применяются двух- и трехпроводные схемы измерений.

Очень часто потенциостаты поддерживают работу не только в режиме с постоянным потенциалом (потенциостатический режим), но и в режиме гальваностата, в котором происходит стабилизация не потенциала электрода, а тока в контуре. Таким образом, возможности потенциостатов существенно расширяются, что позволяет использовать их для решения широкого спектра задач в различных областях:

  • В газоанализаторах;
  • В системах контроля качества пищи;
  • В системах контроля качества воздуха/ воды/ почвы;
  • В медицинских системах анализа состава крови (например, в глюкометрах);
  • В системах мониторинга;
  • В системах измерения биоимпеданса;
  • В измерительном и тестовом оборудовании;
  • В системах изучения и контроля коррозии;
  • В установках изучения химических процессов;
  • В портативных устройствах.

О последнем пункте следует сказать подробнее. Дело в том, что традиционный потенциостат является относительно габаритным прибором, однако на рынке начинают появляться и вполне компактные решения. В частности компания PalmSens специализируется на производстве компактных потенциостатов, которые с легкостью можно носить в кармане. Особый интерес для разработчиков представляет универсальный потенциостат EmStat Pico.

Потенциостат EmStat Pico это компактный модуль размером 30,5 x 18 x 2,6 мм, предназначенный для монтажа на печатную плату с помощью штыревых разъемов (рис. 1). При взгляде на EmStat Pico сразу бросается в глаза распаянный металлический экран. Он нужен не для того, чтобы спрятать от пользователя «начинку» модуля, а для надежного экранирования чувствительных измерительных цепей. Как уже отмечалось выше, опорный электрод должен обладать максимальным импедансом, чтобы обеспечивать минимальный входной ток. По этой причине малейшая наводка или радиочастотная помеха может существенно повлиять на точность измерений. Таким образом, без экрана в данном случае не обойтись.

Внешний вид модуля EmStat Pico

Рис. 1. Внешний вид модуля EmStat Pico

На рис. 2 представлена упрощенная блок-схема модуля. В составе EmStat Pico присутствует собственный LDO-стабилизатор 3,3 В (ADP166), два потенциостата (PSTAT_0 и PSTAT_1), три служебных аналоговых входа, коммуникационный интерфейс UART для обмена с внешней управляющей системой (микроконтроллер или компьютер), порты ввода-вывода, коммуникационные интерфейсы SPI и I2C для взаимодействия с внешней периферией, опциональный прецизионный датчик температуры (ADT7420), собственный управляющий микроконтроллер ADuCM355.

Блок-схема модуля EmStat Pico

Рис. 2. Блок-схема модуля EmStat Pico

Сердце модуля – микроконтроллер ADuCM355 построен на базе производительного 32-битного процессорного ядра Arm Cortex-M3 с тактовой частотой до 26 МГц. На борту у ADuCM355 присутствует богатый выбор цифровой и аналоговой периферии, которая принимает активное участие в работе модуля EmStat Pico. Речь идет о таймерах, 16-битном АЦП, двух 12-битных АЦП, двух схемах потенциостатов с инструментальными усилителями и т.д. Микроконтроллер отличается низким потреблением: 30 мкА/МГц в активном режиме, 8,5 мкА в режиме сна и 2 мкА в режиме ожидания.

Для работы с внешними датчиками используются потенциостаты PSTAT_0 и PSTAT_1, которые могут работать независимо друг от друга или синхронно (например, при измерении биоимпеданса). Подключение потенциостатов производится с помощью трех выводов: CE – токовый электрод, RE – опорный электрод, WE – рабочий электрод. Входной импеданс опорного электрода составляет более 1 ТОм (1012 Ом). Это позволяет модулю EmStat Pico работать с датчиками в диапазоне сопротивлений 10 Ом…100 МОм. Для измерения напряжений используется встроенный 16-битный АЦП со входным диапазоном 0,2,…2,1 В. Диапазон измерительных токов для EmStat Pico составляет ±3 мА, а разрешение 5,5 пА. Стоит отметить, что большая часть схемы потенциостата реализована в микроконтроллере, внешним является только буфер AD8606 на входе RE.

Для подключения EmStat Pico используется 28 выводов (шаг 2,54 мм). На рис. 3 представлена схема расположения выводов.

Назначение выводов модуля EmStat Pico

Рис. 3. Назначение выводов модуля EmStat Pico

Существует три режима работы модуля EmStat Pico:

  • Low Speed mode: для измерения сигналов со скоростью нарастания/спада до 1 В/с или для измерения медленных сигналов с частотой выборки до 100 Гц;
  • High Speed mode: для измерения быстроизменяющихся сигналов;
  • Max Range mode: компромиссный режим с оптимальным соотношением скорости и точности измерений.

Режимы работы модуля EmStat Pico отличаются не только скоростью и точностью измерений, но и уровнем потребления. Модулям EmStat Pico необходим один внешний источник питания 3,5…5,5 В. При этом микроконтроллер ADuCM355 питается от встроенного LDO-стабилизатора 3,3 В (ADP166). В активном режиме High Speed mode потребление модуля EmStat составляет 30 мА (один канал), в режиме Low Speed mode потребление уменьшается до 10 мА (один канал), в режиме сна ток падает до 8 мА, в режиме гибернации потребление составляет 0, 25 мА.

Алгоритм работы модулей EmStat Pico определяется пользователем. Программа алгоритма прописывается в виде скрипта с помощью специального языка MethodSCRIPT™. Этот скриптовый язык позволяет настраивать модули EmStat Pico, выполнять измерения, записывать результаты в SD-карту или передавать их по последовательному порту (UART), а также выбирать режим работы EmStat Pico. MethodSCRIPT поддерживает работу с переменными, циклами, портами ввода-вывода и т.д. Пример скриптовой программы представлен в листинге 1. Подробное руководство по MethodSCRIPT можно найти на сайте производителя. Зашивка алгоритма работы в модуль производится с помощью интерфейса UART (TTL-логика).

Листинг 1. Пример скриптовой программы на языке MethodSCRIPT

e
#Переменные
var h
var r
var j
#Инициализация устройста
set_pgstat_mode 3
#Установка диапазона токов
set_cr 1m
#Включить модуль. Начать измерения
cell_on
# сканирование EIS с частотой от 200кГц до 2 Гц за 41 шаг
meas_loop_eis h r j 10m 200k 2 41 0
#передать результаты текущего шага
pck_start
#Передать частоту
pck_add h
#Передать действительную часть импеданса
pck_add r
#Передать мнимую часть импеданса
pck_add j
pck_end
#Перейти к следующему шагу
endloop
#Выключить модлуль
cell_off

Написание скрипта и процесс программирования модуля можно существенно упростить, если подключить EmStat Pico к ПК с помощью конвертера USB-UART. В таком случае пользователь может работать со специальной утилитой PSTrace, которая позволяет настраивать и программировать модуль EmStat Pico, а также отображать результаты измерений (рис. 4).

Программа PSTrace для настройки и работы с модулями EmStat Pico

Рис. 4. Программа PSTrace для настройки и работы с модулями EmStat Pico

Для подключения EmStat Pico к ПК будет достаточно простейшего преобразователя USB-UART, как показано на рис. 5. В качестве альтернативного варианта подключения может использоваться плата Arduino MKR Zero, как показано на рис. 6.

Подключение модулей EmStat Pico к ПК с помощью конвертора USART-USB

Рис. 5. Подключение модулей EmStat Pico к ПК с помощью конвертора USART-USB

Подключение EmStat Pico модулей к Arduino и ПК

Рис. 6. Подключение EmStat Pico модулей к Arduino и ПК

Чтобы максимально ускорить процесс знакомства с EmStat Pico, следует воспользоваться отладочным набором ESPICO-DK_830 (рис. 7). Данный набор позволяет напрямую подключаться к ПК с помощью разъема micro-USB, передавать результаты измерений в ПК или накапливать их в SD-карте. Отладочная плата также поддерживает обмен данными по Bluetooth и возможность питания от батареек (держатель батареек расположен на нижней стороне платы).

Внешний вид отладочной платы ESPICO-DK_830

Рис. 7. Внешний вид отладочной платы ESPICO-DK_830

Подробнее о работе с отладочным набором ESPICO-DK_830 можно ознакомиться в руководствах:

Характеристики измерительного модуля ESPICO-ALL_831:

  • 5 аналоговых входов, в том числе 2 входа с высоким входным сопротивлением (1 ТОм);
  • 2 канала для измерения тока с диапазоном ±3 мА и разрешением 5,5 пА;
  • Встроенный 16-битный АЦП со входным напряжение 0,2,…2,1 В;
  • Два 12-битных ЦАП с выходным напряжением 0,2…2,4 В;
  • Два потенциостата для измерения потенциалов с датчиков с сопротивлением от 10 Ом до 1000 МОм;
  • Частота измерений от 0,016 Гц до 200 кГц;
  • Встроенный датчик температуры с разрешением 0,3°C и точностью ±2°C;
  • Интерфейс программирования: UART,
  • Коммуникационные интерфейсы: I2C, SPI;
  • 8 портов ввода-вывода (GPIO);
  • Поддержка SD-карт;
  • Опциональный датчик температуры с разрешением 0,0078°C и точностью ±0,25 °C;
  • Диапазон рабочих напряжений питания: 3,5…5,5 В;
  • Потребление: 0, 25 мА (режим глубокого сна), 8 мА (канал 1 в режиме Sleep), 10 мА (канал 1 в режиме Low Speed mode); 30 мА (канал 1 в режиме High Speed mode);
  • Диапазон рабочих температур: -40… +85 °C;
  • Габариты: 30,5 x 18 x 2,6 мм.

О компании:

PalmSens – голландская компания, основанная в 2001 году и специализирующаяся на разработке и производстве потенциостатов. Компания предлагает широкий выбор компактных потенциостатов: одноканальных, многоканальных, со встроенным мультиплексором. Кроме того, PalmSens предлагает специализированное программное обеспечение с графическим интерфейсом (PSTrace, MultiTrace, PStouch). Разработчикам также доступны отладочные наборы и PalmSens SDK.

Производитель: PalmSens BV
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ESPICO-ALL_831
ESPICO-ALL_831
PalmSens BV
Арт.: 3427509 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Измерительный модуль. 5 аналоговых входов. 2 канала для измерения тока. Два 12-битных ЦАП с выходным напряжением 0,2…2,4 В. Частота измерений от 0,016 Гц до 200 кГц
ESPICO-ALL_831
-
Поиск
предложений
EmStat Pico Module
EmStat Pico Module
PalmSens BV
Арт.: 3479345 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Компактный модуль для монтажа на печатную плату с помощью штыревых разъемов, размер 30,5 x 18 x 2,6 мм
EmStat Pico Module
-
Поиск
предложений
ESPICO-DK_830
ESPICO-DK_830
PalmSens BV
Арт.: 3479346 ИНФО PDF
283419,53
Поиск
предложений
Отладочный набор позволяет напрямую подключаться к ПК с помощью разъема micro-USB, передавать результаты измерений в ПК или накапливать их в SD-карте
ESPICO-DK_830 283419,53
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()