Fotometro basato su PSoC

Introduzione

In questo post vogliamo descrivere la realizzazione di un semplice fotometro “general purpose”, basato su di un sensore a fotodiodo e su di un microcontrollore PSoC5LP della Cypress.
Il fotometro è lo strumento che misura l’intensità di una emissione luminosa, le sue applicazioni sono molteplice e spaziano in moltissimi settori diversi, comprese le analisi chimiche e biochimiche e lo studio delle sorgenti luminose.
Per rendere lo strumento “flessibile” abbiamo scelto di mantenere il sensore separato dal corpo dello strumento : in questo modo è adattabile a diverse modalità di funzionamento.

Sensore

Il sensore è un fotodiodo Hamamatsu S1337-66BR. Questo fotodiodo è caratterizzato da una area sensibile pari a 5.8×5.8mm, ha uno spectral range da 340nm a 1100nm con un picco di sensibilità a 960nm, è quindi adatto per essere utilizzato nella rilevazione di emissioni luminose di bassa intensità da UV a near IR.
Nella immagine a lato viene mostrata la curva di sensibilità del sensore.

Il fotodiodo è stato montato all’estremità di un tubo in plastica, venicato di nero, e collegato mediante un cavetto schermato. Questo setup ci permette di spostare e posizionare agevolmente il sensore. L’immagine sotto mostra il sensore.

Hardware

L’hardware è basato sulla scheda di sviluppo FreeSoC2 del microcontrollore PSoC5LP della Cypress. Il segnale del fotodiodo viene amplificato da un amplificatore a trans-impedenza, lo schema è mostrato sotto. L’operazionale è il veloce OPA656, con doppia alimentazione +5V , -5V. Il guadagno viene variato via software selezionando la resistenza di feedback.
Il segnale dell’amplificatore viene inviato sia all’ADC per l’acquisizione da parte del microcontrollore e sia portato all’esterno su connettore BNC per eventuale visualizzazione con oscilloscopio.

I PCB sono stati collocati all’interno di un classico contenitore per elettronica : la foto sotto mostra la scheda con l’operazionale (in verde) a lato c’è la schedina con l’integrato per la creazione dei -5V a partire dai +5V. Al di sotto c’è la scheda FreeSoC2. Sul frontale del contenitore vi sono i pulsanti di controllo ed un display LCD.

Software

Il software del PSoC prevede l’acquisizione del segnale del sensore (dopo opportuna amplificazione) da parte di un ADC di precisione a 18 bit. Il range del segnale arriva a 6V mentre il rateo di conversione è di 1000 campionature al secondo. Il valore del segnale campionato viene inviato via seriale ad un data logger (Raspberry PI con sw Python).

Il valore numerico visualizzato sul display è invece il risultato di una integrazione temporale fatta su circa 500 campioni. Questo viene fatto per ridurre il “rumore” e le variazioni statistiche del segnale.

Lo strumento può quindi essere utilizzato in tre modalità diverse :

• Detector veloce : in questa modalità il segnale viene prelevato direttamente dall’uscita dell’amplificatore ed inviato ad un oscilloscopio oppure ad un ADC veloce. In questa modalità la parte di acquisizione del segnale non viene utilizzata.
• Detector Real-Time : questa modalità può essere utilizzata per studiare fenomeni variabili nel tempo con frequenza massima di 500Hz. Il segnale viene acquisito dall’ADC ed inviato al data logger (Raspberry PI con sw Python).
• Detector per misure di precisione : in questa modalità il segnale da acquisire viene considerato costante nel tempo, ed il valore letto viene integrato su di un numero considerevole di campioni in modo da migliorare il rapporto segnale / rumore. Il valore viene visualizzato sul display.

Esempi di Misure

Nella immagine sotto si vede un esempio di misura di precisione : il guadagno è configurato sul valore 10 (corrispondente a Rf = 10kΩ), la misura viene fornita sul display in millivolt. La misurazione viene attivata e fermata con il pulsante di start/stop.

Nella immagine sotto si vede il tracciato dell’oscilloscopio ottenuto utilizzando il sensore in modalità “veloce” ed acquisendo il segnale prodotto esponendo il sensore ad una semplice lampada domestica : si nota l’ondulazione prodotta dalla corrente alternata alla frequenza di rete di 50Hz.

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