Dopo molti anni di esperienza con i CapSensor abbiamo progettato questi nuovi CapTransducer che possono funzionare come:
- Sensori di altissima qualità per il Theremin (strumento musicale)
- Sensori per applicazioni industriali (misuratori di livello, misuratori di prossimità, ecc.)
Questi sensori sono più complessi dei CapSensor ma abbiamo ottenuto un notevole miglioramento di prestazioni:
- Funzionamento di tipo “eterodina” (come i modelli di Theremin più costosi).
- Maggiore precisione anche nella misura di capacità molto piccole.
- Possibilità di suonare il Theremin fino alla distanza di un metro e più.
- Calibrazione a distanza (con un servomotore comandato dal software).
- Ottima stabilità della calibrazione.
Modulo – Cap Transducer
Il Cap Transducer è il meglio che siamo riusciti a progettare per lavorare con capacità molto piccole, con la massima precisione e stabilità.
Oscillatori
Il circuito è composto da due oscillatori (rettangoli tratteggiati)
Dato che i due oscillatori molto simili tra di loro si ottiene un’ottima stabilità e la massima cancellazione dei disturbi dovuti alle variazioni di temperatura.
Frequenze di oscillazione
- Frequenza di oscillazione circa 450 Khz con capacità di ingresso di 20 pF
- Frequenza di oscillazione circa 600 KHz con capacità di ingresso di 10 pF
Il primo oscillatore (in alto) varia la sua frequenza in base alla capacità del sensore collegato all’ingresso Sens_Cap
Il secondo oscillatore (in basso) viene calibrato ad una frequenza fissa che serve come riferimento.
La differenza tra le due frequenze sarà la frequenza del segnale in uscita.
Mixer
L’integrato U3 agisce da mixer e produce in uscita le frequenze somma e differenza tra i due oscillatori.
Il filtro composto da R6, C5, R7, C6, R8 e C7 elimina tutti i disturbi ad alta frequenza e lascia passare in uscita una onda quadra.
Il filtro elimina facilmente il segnale somma (circa a un MHz), ma anche tutti i disturbi con frequenza superiore a 20 KHz
Il segnale in uscita nel punto Out viene inviato al firmware che può misurarlo senza errori solo se si trova nell’intervallo tra 245 Hz e 20 KHz
Operazione di calibrazione
- A seconda delle dimensioni del sensore Sens_Cap collegato a all’oscillatore in alto si regola il commutatore SW1 e quindi la capacità applicata all’oscillatore in basso (questa operazione si effettua una sola volta e la si dovrà ripetere solo cambiando le dimensioni del sensore Sens_Cap )
- Quando si avvia la calibrazione il C_Var pilotato dal servomotore aggiunge capacità fino a che la frequenza dell’oscillatore in basso si avvicina a quella dell’oscillatore in alto.
- Il firmware ferma la calibrazione quando l’oscillatore inferiore è ancora a frequenza più alta di quello superiore di circa 500 … 800 Hz
In queste condizioni il segnale in uscita è alla frequenza minima e salirà fino a quasi 20 KHz man mano che si aumenterà la capacità all’oscillatore in alto.
Punti di test
- Su TP2 e TP3 si può collegare l’oscilloscopio per controllare la frequenza dei due oscillatori.
- Su TP1 si può collegare l’oscilloscopio per controllare la frequenza in uscita dal mixer.
- Su TP1 si può anche collegare un piccolo altoparlante per controllare a orecchio la frequenza differenza.
Se si collega un piccolo altoparlante (o una capsula piezoelettrica) è utile aggiungere un potenziometro da circa 200 … 500 ohm per regolare il volume.
La presenza dei resistori da 100 ohm sui punti di test isola i delicati segnali da quello che si collega esternamente.
Connettore di uscita
Il connettore di uscita J1 ha quattro poli che andranno collegati al corrispondente connettore del modulo Cap Detector
- GND e +5 servono per collegare la massa e la alimentazione.
- Servo porta il segnale di ingresso per il servomotore durante la calibrazione.
- Out emette il segnale ad onda quadra che verrà misurato dal firmware del Cap Detector.
Regolatore
Il chip U1 trasforma il 5 volt abbastanza instabile (dato che arriva dalla USB o da altri alimentatori) in una tensione a 3.3 volt molto precisa e stabile.
Questo è essenziale per mantenere stabile la calibrazione e ben ferma la nota quando lo si usa per un Theremin.
Modulo – Cap Detector
Il modulo Cap Detector fornisce il collegamento USB con il PC, per programmarlo e per utilizzarlo con applicazioni che stanno sul PC, come ad esempio il Theremin o applicazioni di controllo per processi industriali.
Questo modulo potrebbe anche funzionare senza PC, per cui dopo averlo programmato basterà alimentarlo e fornirà in uscita tensioni variabili e eventualmente anche uscite acceso spento da collegare ad altri apparecchi.
A questo modulo si possono collegare uno o due Cap Transducer che si occupano di misurare la capacità.
- Con due Cap Transducer si potrà costruire un ottimo Theremin oppure misurare due punti in apparecchi industriali.
- Per aumentare i punti di misura si possono collegare altri Cap Detector ad altri connettori USB
Non c’è molto da dire su questo schema dato che tutto il lavoro di precisione viene fatto nei Cap Transducer e poi nel firmware che si programma nel modulo Nano.
Si collegano uno o due moduli Cap Transducer agli ingressi Sens1 e Sens2
- Sui due ingressi In1 e In2 arrivano i segnali dai due sensori con frequenze da 245 Hz a 20 KHz
- Le due uscite Servo1 e Servo2 sono segnali di controllo dei servomotori per l’azzeramento dei sensori
Se non si utilizza un PC si può collegare un PLC al connettore J3 – PLC
- Le uscite Vout1 e Vout2 forniscono una tensione da 0 a 5 volt proporzionale alla variazione della capacità
- A3, A4 e A5 sono usabili per espansioni future, come ingressi ADC o come uscite digitali
- Trim1 e Trim2 sono ingressi digitali normalmente alti e non agiscono se li si lascia aperti
- Trim1 e Trim2 avviano la calibrazione se collegati a un segnale che va a zero o collegandoli a GND con un pulsante
Nella zona inferiore dello schema il chip U1 crea una tensione leggermente maggiore di 5 volt per il chip U2
Grazie alla alimentazione superiore a 5 volt il chip U2 è (che è un DAC) può fornire sulle uscite Vout1 e Vout2 l’escursione completa da 0 a 5 volt
Usare i Cap Detector per il Theremin
Per il Theremin usavamo: due CapSensor e un Master per collegarli alla USB.
Adesso la configurazione è simile: due CapTransducer e un CapDetector per collegarli alla USB.
I CapTransducer sono più complessi ma non molto più costosi e in compenso il CapDetector è un Arduino Nano che è molto economico.
Usare i Cap Detector per applicazioni industriali