Анализируем спектр света с датчиками AMS AS7262 и AS7263

Компания AMS снова порадовала разработчиков своим оригинальным подходом к решению нестандартных задач.

На этот раз на рынок были выпущены 6-канальные интегральные анализаторы спектра AS7262 и AS7263.

Обе микросхемы объединяют в одном корпусе различные оптические и электронные элементы, в том числе фотодиодную сборку и вычислительное ядро анализатора спектра.

Микросхема AS7262 предназначена для работы с видимой частью спектра (450…650 нм), а AS7263 с инфракрасным диапазоном (610…860 нм). 

Рис. 1. Анализаторы спектра AS7262 и AS7263 от ams

Для широкого круга потребителей анализаторы светового спектра представляются достаточно экзотичным инструментом. Это не удивительно, так как их редко можно встретить в смартфонах или ноутбуках. Однако в других областях анализ спектрального состава играет важную роль.

Приведем лишь несколько примеров:

• анализ качества и температуры металла в металлургии;
• сортировка семян в сельском хозяйстве по их цвету;
• бесконтактный анализ тканей в медицине;
• оптический контроль при металлообработке (поиск трещин, раковин и т.д.);
• анализ состава веществ в химии;
• контроль свежести продуктов;
• прецизионная подстройка цвета при выборе красок (например, в областях строительства и автомобилестроения);
• оценка температуры и состава небесных тел (звезд, комет и т. д.) в астрономии и т. д.

Существует значительный интерес по использованию анализаторов спектра в повседневной жизни, например, для контроля качества продуктов. Еще больший потенциал они представляют для игровой индустрии. Однако, до недавнего времени, у спектрометров был один важный недостаток – значительные габариты и высокое энергопотребление.

При использовании дискретных компонентов для создания анализатора спектра получается достаточно громоздкое устройство, которое  включает оптические элементы (светодиод, фотодиоды), аналоговые и цифроаналоговые узлы (АЦП, цепи нормирования), схемы питания (драйвер светодиода и питание микросхем), цифровой процессор для обработки измерений. Список внушительной, однако, именно такие сложные и комплексные задачки и любит решать компания ams. Она раз за разом удивляет разработчиков тем, что умудряется втиснуть в рамки одной микросхемы совершенно различные по своей природе компоненты: вспомнить хотя бы RFID-мост SLA900A или комплексный датчик движения и цвета TMD4903. Сейчас компания ams предлагает интегральные анализаторы спектра AS7262 и AS7263 со встроенными фотодиодными сборками.

AS7262 и AS7263 – 6-канальные анализаторы спектра, которые, не смотря на сверхминиатюрные размеры 4,5x4,7x2,5 мм (LGA-20), объединяют в одном корпусе все необходимые для спектрального анализа компоненты: фотодиодную сборку, цифровое ядро анализатора спектра на базе 16-битного АЦП, коммуникационные интерфейсы (USART/ I2C) для связи с внешним контроллером, SPI-интерфейс для подключения внешней FLASH памяти, генератор 16 МГц, датчик температуры (рис. 2).

Рис. 2. Структура анализаторов спектра AS7262 и AS7263

Ключевым элементом AS7262 и AS7263 являются фотодиодные сборки (рис. 3). В обоих случаях они представляют собой матрицы из шести фотодиодов с узким спектром чувствительности.

Рис. 3. Фотодиодные сборки анализаторов спектра AS7262 и AS7263

Микросхема анализатора спектра AS7262 предназначена для работы с видимой частью света (рис. 4). Ее фотодиоды имеют селективную чувствительность 450/ 500/ 550/ 570/ 600/ 650 нм с шириной 40 нм. Как видно, их пиковые частоты разнесены на 50 нм (за исключением 570 нм оранжевый цвет). Микросхема AS7263 предназначена для анализа ближней части инфракрасного диапазона. Его фотодиоды работают с частотами 610/ 680/ 730/ 760/ 810/ 860 нм с шириной спектра чувствительности 20 нм (рис. 4).

Рис. 4. Спектральная чувствительность анализаторов спектра AS7262 и AS7263

 Микросхемы AS7262 и AS7263 представляют собой практически законченные устройства, при этом главным недостающим звеном в них остается источник света. Для решения данной проблемы компания ams предлагает использовать внешний светодиод, при том, что драйвер для него уже находится на борту AS7262 и AS7263! Этот драйвер может быть запрограммирован для формирования четырех значений тока питания 12,5/ 25/ 50/ 100 мА с точностью ±10%. Интересно, что микросхемы содержат и еще один вспомогательный маломощный драйвер для светодиода индикации с программируемым выходным током 1/ 2/ 4/ 8 мА.

Важным фактором стабильности при проведении измерений всегда остается температура. Анализаторы AS7262 и AS7263 откалиброваны соответствующим образом для нормального функционирования во всем диапазоне температур (-40…+85°C) на протяжении всего жизненного цикла. Однако в случаях крайней необходимости дополнительная корректировка может быть проведена с учетом показаний встроенного датчика температуры, точность которого относительно мала: ±8,5 °C.

Таким образом, законченный анализатор спектра на базе AS7262 и AS7263 потребует добавления светодиода, микроконтроллера для общего управления и обработки результатов, системы питания для формирования напряжения 2,6…3,6 В (рис. 5).

Рис. 5. Схемы включения анализаторов спектра AS7262 и AS7263

Взаимодействие с управляющим микроконтроллером осуществляется либо по UART (максимальная скорость 115200 бод), либо по I2C (максимальная скорость 400 кГц). Использование UART особенно удобно из-за наличия поддержки традиционных AT-команд (рис. 6).

Рис. 6. Использование AT-команд для обмена данными AS7262 и AS7263

Работа микросхем AS7262 и AS7263 может строиться как на постоянном обмене с контроллером, так и с использованием прерывания по окончании цикла измерения. В последнем случае в дополнение к линиям UART/ I2C добавляется сигнал INT. Прерывания позволяют добиться существенного снижения потребления.

Диапазон напряжений питания для AS7262 и AS7263 составляет 2,7...3,6 В, при этом собственное потребление оказывается достаточно низким 5 мА. Для дополнительной экономии могут использоваться пять различных режимов работы. В первых двух режимах работает только половина из шести каналов, а оставшаяся половина не опрашивается. В третьем и четвертом режимах происходит измерение спектра всех шести каналов. Пятый режим — спящий, при нахождении в нем ток потребления падает до 12 мкА.

Новые микросхемы анализаторов спектра вполне могут использоваться в современных мобильных и портативных приложениях, так как отвечают всем ключевым для этой сферы требованиям:

• сверхкомпактные габариты: 4,5x4,7x2,5 мм;
• малое потребление;
• широкий диапазон питания и возможность работы от аккумуляторов.

Таким образом, простой анализ спектрального состава перестает быть чем-то невыполнимым даже для современных компактных устройств. Конечно, речь не идет о полном анализе состава света, а только о шести ключевых каналах, но и этого будет вполне достаточно для целого ряда коммерческих приложений.

Характеристики микросхемы датчика AS7262-BLGT:

• тип датчика: 6-канальный анализатор спектра;
• регистрируемые длины волн входного светового потока: 450/ 500/ 550/ 570/ 600/ 650 нм;
• ширина спектра каждого канала: 40 нм;
• коммуникационные интерфейсы: I2С, UART;
• точность встроенного датчика температуры: ±8,5 °C;
• выходной ток драйвера светодиода: 12,5/ 25/ 50/ 100 мА ±10%;
• диапазон напряжений питания: 2,7…3,6 В;
• потребляемый ток: 5 мА;
• диапазон рабочих температур: -40…+85°C;
• корпус: 20-выводной LGA, 4,5 x4,7 x2,5 мм.

Характеристики микросхемы датчика AS7263-BLGT:

• тип датчика: 6-канальный анализатор спектра;
• регистрируемые длины волн входного светового потока: 610/ 680/ 730/ 760/ 810/ 860 нм;
• ширина спектра каждого канала: 40 нм;
• коммуникационные интерфейсы: I2С, UART;
• точность встроенного датчика температуры: ±8,5 °C;
• выходной ток драйвера светодиода: 12,5/ 25/ 50/ 100 мА ±10%;
• диапазон напряжений питания: 2,7…3,6 В;
• потребляемый ток: 5 мА;
• диапазон рабочих температур: -40…+85°C;
• корпус: 20-выводной LGA, 4,5 x4,7 x2,5 мм.