НОВИЙ ПРОГРАМУВАНИЙ ЦИФРОВИЙ ДАТЧИК УДАРНИХ ВПЛИВ

У статті розглянуто конструктивні особливості та принцип функціонування нового датчика ударних впливів ADIS16204, який являє собою закінчений пристрій, у якому реалізовані всі функції, пов’язані з обробкою результатів вимірювань.

В. Лазебний

Корпорація Analog Devices розробила новий компактний датчик прискорень і ударних впливів ADIS16204, у якому завдяки застосуванню сигнального процесора, розміщеного на тому самому кристалі, досягнення оригінальної технології виробництва датчиків iMEMS (Integrated Microelectromechanical Systems) поєднані з повною обробкою результатів вимірювань.

Особливості застосування датчика ADIS16204

Датчик ADIS16204 розроблений для простого та зручного застосування у складі систем керування та контролю. Для його підключення потрібні два дроти живлення та чотири сигнальні лінії послідовного інтерфейсу.

Керування датчиком і зняття результатів вимірювань здійснюються за допомогою стандартного послідовного інтерфейсу. Передбачена можливість отримання значень лінійних прискорень у напрямку двох ортогональних осей X і Y, середньоквадратичного значення ударного впливу в площині X0Y та температурного режиму датчика, а також забезпечені можливості керування режимом електроживлення, оцифровування додаткового зовнішнього аналогового сигналу та ряд інших.

Застосування нового датчика дозволяє скоротити час розробки пристроїв з використанням датчиків прискорень і забезпечити зручні режими калібрування та встановлення частоти вибірки результатів вимірювань завдяки наявності простих команд керування, передбачених:

• програмованою пам’яттю подій (1K×16)
• вимірюванням середньоквадратичного значення ударного впливу в площині X0Y (RSS — Root Sum Square)
• встановленням параметрів сигналу тривоги
• наявністю допоміжних 12-розрядних АЦП і ЦАП у складі мікросхеми
• наявністю керованого порту вводу-виводу
• наявністю функції перевірки працездатності
• наявністю режимів зі зниженим енергоспоживанням і керованим відключенням електроживлення.

Для реалізації перелічених вище можливостей датчика не потрібне застосування додаткових зовнішніх електронних компонентів і пристроїв.

Датчик ADIS16204 виконаний у корпусі типу LGA (Laminate-based Land Grid Array) модифікації CC-16-2 розмірами 9,2×9,2×3,9 мм і призначений для роботи в діапазоні температур -40…+125 °С.

Робочі параметри та характеристики датчика

Робочі параметри та характеристики датчика ADIS16204 наведені в таблиці .

Елементи, чутливі до ударних впливів, мають конструкцію, що відрізняється від застосованої в акселерометрах ADXL330, ADXL202, ADXL210.

Структурна схема датчика xxxxxx представлена на рис. 1.

Будова ізмерительного тракту

Вимірювальний тракт датчика ударних впливів ADIS16204 складається з блоку мініатюрних електромеханічних (iMEMS) сенсорів, модуля попередньої обробки вимірювальних сигналів, цифрового сигнального процесора, контролера послідовного інтерфейсу. Крім основного вимірювального тракту мікросхема містить додаткові засоби контролю та керування. Система керування забезпечує керування модулями електроживлення, контролю працездатності датчика, формування сигналу тривоги та інтерфейсом допоміжних сигналів керування. Для корекції результатів вимірювань залежно від температури датчика наявний вбудований температурний сенсор, дані якого враховуються в процесі попередньої обробки вимірюваних сигналів. Модуль попередньої обробки та перетворення містить АЦП і ЦАП, до яких забезпечений доступ за допомогою додаткових виводів мікросхеми.

У датчику ADIS16204 застосовані два чутливих елементи, кожен з яких реагує на механічний вплив лише в одному визначеному напрямку.

Крім того, у конструкції датчика передбачений захист механічного чутливого елемента та електричних ланцюгів вимірювальних сигналів від зовнішніх електромагнітних полів, вплив яких може призвести до появи значних похибок вимірювань. Захист здійснюється застосуванням спеціального екрануючого корпусу.

Конструкція одного чутливого елемента схематично показана на рис. 2 .

Основні технічні характеристики ADIS16204

• МРК – молодший розряд цифрового коду (LSB – Least Significant Bit).

Принцип роботи чутливого елемента

Власна резонансна частота чутливого елемента (24 кГц) знаходиться значно вище частоти зрізу фільтра (400 Гц), який обмежує рівень шумів в електричних ланцюгах, що задають робочий режим чутливого елемента.

Чутливий елемент містить кілька диференціальних конденсаторів. Кожен диференціальний конденсатор являє собою комірку, яка містить по дві нерухомі пластини, розташовані на підкладці мікросхеми, та по одній рухомій пластині, прикріпленій до рамки чутливого елемента, підвішеної на спеціальних пружинках, рис. 2. У нейтральному стані, коли відсутній зовнішній вплив, рухома пластина кожного з диференціальних конденсаторів буде перебувати в середньому положенні і парціальні ємності, утворені цією пластиною з кожною з нерухомих пластин даного диференціального конденсатора, будуть рівні. Відповідно до рис. 2 зміщення рамки у вертикальному напрямку призведе до зміни відстані, а отже, і парціальних ємностей між рухомою пластиною та кожною з нерухомих пластин. Для формування вимірювального сигналу на виході чутливого елемента на нерухомі пластини диференціального конденсатора подають рівні за амплітудою, але противофазні сигнали типу «меандр» частотою 200 кГц. Вимірювальний сигнал знімається з рухомої рамки через струмопровідні пружинки підвісу, потім він фільтрується та детектується. При рівності парціальних ємностей диференціального конденсатора рівень вимірювального сигналу буде дорівнювати нулю, а при наявності зовнішнього впливу через нерівність парціальних ємностей диференціального конденсатора — буде відрізнятися від нуля. Рівень цього сигналу буде пропорційний величині прискорення, а знак продетектованого сигналу однозначно визначає напрямок дії сили, що призвела до появи зазначеного прискорення. Більш детальна інформація про принцип дії диференціального конденсатора наведена в .

Лінійний діапазон вимірювальної характеристики електромеханічного сенсора має велику протяжність, однак для реальних вимірювань використовується лише восьма частина цього діапазону. Сигнал електромеханічного сенсора після детектування проходить через ФНЧ Бесселя другого порядку. Така організація вимірювального процесу дозволяє уникнути переповнення розрядної сітки вихідного пристрою при появі короткочасних ударних впливів великої сили, що характеризуються прискоренням більше 70 g. Реакція вимірювальної системи на імпульсний ударний вплив величиною 560 g тривалістю 0,1 мс показана на рис. 3 .

сформовані іншими (стосовно датчика ударних впливів) пристроями вимірювальної системи. Результати оцифровування записуються у внутрішній регістр AUX_ADC і можуть бути зчитані з використанням послідовного інтерфейсу.

Додаткові можливості та інтерфейс

Цифрові дані на виході АЦП представлені у вигляді безпосереднього двійкового коду. Діапазон вимірювання вхідного сигналу знаходиться в межах від 0 В до VREF (опорної напруги АЦП). У мікросхемі застосовано високоточне стабільне джерело опорної напруги, юстировка якого здійснюється під час її виготовлення.

Вхідні ланцюги АЦП захищені від перевантаження за напругою двостороннім діодним обмежувачем, увімкненим між загальною шиною та шиною напруги живлення. Рівень обмеження становить +300 мВ відносно напруги живлення (VDD) і -300 мВ щодо загальної шини (0 В). Типове значення вхідного опору за сигнальним входом становить 100 Ом, а вхідна ємність — близько 4 пФ. Максимальний струм через діоди обмежувача не повинен перевищувати 10 мА.

Послідовний сигнальний інтерфейс, реалізований в ADIS16204, містить чотири сигнальні лінії: CS — вибору кристала, SCLK — тактування даних, DIN — вхідних даних, DOUT — вихідних даних.

Датчик ADIS16204 містить одинадцять 16-розрядних інформаційних регістрів.

Програмування та керування роботою ADIS16204 здійснюється за допомогою набору команд, які надають широкі можливості вибору режимів роботи та діагностики.