В статье рассмотрены конструктивные особенности и принцип функционирования нового датчика ударных воздействий ADIS16204, представляющего собой законченное устройство, в котором реализованы все функции, связанные с обработкой результатов измерений.
В. Лазебный
Корпорация Analog Devices разработала новый компактный датчик ускорений и ударных воздействий ADIS16204, в котором благодаря применению сигнального процессора, размещенного на том же кристалле, достижения оригинальной технологии производства датчиков iMEMS (Integrated Microelectromechanical Systems) совмещены с полной обработкой результатов измерений.
Датчик ADIS16204 разработан для простого и удобного применения в составе систем управления и контроля. Для его подключения требуется два провода питания и четыре сигнальных линии последовательного интерфейса.
Управление датчиком и съем результатов измерений производятся посредством стандартного последовательного интерфейса. Предусмотрена возможность получения значений линейных ускорений в направлении двух ортогональных осей X и Y, среднеквадратического значения ударного воздействия в плоскости X0Y и температурного режима датчика, а также обеспечены возможности управления режимом электропитания, оцифровывания дополнительного внешнего аналогового сигнала и ряд других.
Применение нового датчика позволяет сократить время разработки устройств с использованием датчиков ускорений и обеспечить удобные режимы калибровки и установки частоты выборки результатов измерений благодаря наличию простых команд управления, предусмотренных
• программируемой памятью событий (1Кх16)
• измерением среднеквадратического значения ударного воздействия в плоскости X0Y (RSS – Root Sum Square)
• установкой параметров сигнала тревоги
• наличием вспомогательных 12-разрядных
АЦП и ЦАП в составе микросхемы
• наличием управляемого порта ввода-вывода
• наличием функции проверки работоспособности
• наличием режимов с пониженным энергопотреблением и управляемым отключением электропитания.
Для реализации перечисленных выше возможностей датчика не требуется применение дополнительных внешних электронных компонентов и устройств.
Датчик ADIS16204 выполнен в корпусе типа LGA (Laminate-based land Grid Array) модификации СС-16-2 размерами 9.2х9.2х3.9 мм и предназначен для работы в диапазоне температур -40…+125 °С.
Рабочие параметры и характеристики датчика ADIS16204 приведены в таблице [1].
Элементы, чувствительные к ударным воздействиям, имеют конструкцию, отличающуюся от примененной в акселерометрах ADXL330, ADXL202, ADXL210.
Структурная схема датчика ADIS16204 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема датчика ударных воздействий ADIS16204
Измерительный тракт датчика ударных воздействий ADIS16204 состоит из блока миниатюрных электромеханических (iMEMS) сенсоров, модуля предобработки измеритель- разработчиками этого датчика.
Датчик ADIS16204 характеризуется такими особенностями [1]:
• фиксацией и запоминанием пикового значения ускорения ных сигналов, цифрового сигнального процессора, контроллера последовательного интерфейса. Кроме основного измерительного тракта микросхема содержит дополнительные средства контроля и управления. Система управления обеспечивает управление модулями электропитания, контроля работоспособности датчика, формирования сигнала тревоги и интерфейсом вспомогательных сигналов управления. Для коррекции результатов измерений в зависимости от температуры датчика имеется встроенный температурный сенсор, данные которого учитываются в процессе предварительной обработки измеряемых сигналов. Модуль предобработки и преобразования содержит АЦП и ЦАП, к которым обеспечен доступ с помощью дополнительных выводов микросхемы.
В датчике ADIS16204 применены два чувствительных элемента, каждый из которых реагирует на механическое воздействие только в одном определенном направлении.
Кроме того, в конструкции датчика предусмотрена защита механического чувствительного элемента и электрических цепей измерительных сигналов от внешних электромагнитных полей, воздействие которых может привести к появлению значительных погрешностей измерений. Защита осуществляется применением специального экранирующего корпуса.
Конструкция одного чувствительного элемента схематически показана на рис. 2 [1].
Рис. 2. Конструкция одного чувствительного элемента датчика ADIS16204
Параметры и характеристики датчика ADIS16204
| Параметр | Условия измерений | Значение | |
| Диапазон измеряемых ускорений, g | по оси X / по оси Y | ±7 / ±37 | |
| Чувствительность, 10′3g/MPK * | по оси X / по оси Y | 17.125/ 8.407 | |
| Нелинейность измерительной характеристики, % | 0.2 | ||
| Погрешность взаимного расположения осей, градус | 0.1 | ||
| Значение перекрестной помехи, %, не более | 5 | ||
| Резонансная частота сенсора, кГц | 24 | ||
| Спектральная плотность шума, 10′3й7^Гц | 10…400 Гц (без фильтрации) | 1.8 | |
| Ширина полосы частот измеряемого сигнала на уровне -3 дБ, Гц | встроенный фильтр
Бесселя второго порядка |
400 | |
| Температурный дрейф полосы частот измеряемого сигнала, Гц | (25 °С-ТМИН) или
(Тмакс-25 °С) |
2 | |
| Характеристики цифрового сигнала на выходе:
– разрешающая способность, разряд – относительная погрешность измерений, МРК – дифференциальная нелинейность, МРК – время установления сигнала, мкс |
в диапазоне значений кода 101…4095 | 12
4 1 10 |
|
| Напряжение питания, В | 3.3 | ||
| Диапазон температур, °С | рабочих | -40…125 | |
| хранения | -65…150 | ||
| Предельное значение ударного воздействия, g | по осям X иУ | 4000 | |
| Тактовая частота последовательного интерфейса, МГц | нормальный режим | 0.01…1.0 | |
| ускоренный режим | 0.01…2.5 | ||
* МРК – младший разряд цифрового кода (LSB – Least Significant Bit).
Собственная резонансная частота чувствительного элемента (24 МГц) находится много выше частоты среза фильтра (400 Гц), ограничивающего уровень шумов в электрических цепях, задающих рабочий режим чувствительного элемента.
Чувствительный элемент содержит несколько дифференциальных конденсаторов. Каждый дифференциальный конденсатор представляет собой ячейку, которая содержит по две неподвижных пластины, расположенных на подложке микросхемы, и по одной подвижной пластине, прикрепленной к рамке чувствительного элемента, подвешенной на специальных пружинках, рис. 2. В нейтральном состоянии, когда отсутствует внешнее воздействие, подвижная пластина каждого из дифференциальных конденсаторов будет находиться в среднем положении и парциальные емкости, образованные этой пластиной с каждой из неподвижных пластин данного дифференциального конденсатора будут равны. В соответствии с рис. 2 смещение рамки в вертикальном направлении приведет к изменению расстояния, а значит и парциальных емкостей между подвижной пластиной и каждой из неподвижных пластин. Для формирования измерительного сигнала на выходе чувствительного элемента на неподвижные пластины дифференциального конденсатора подают равные по амплитуде, но противофазные сигналы типа “меандр” частотой 200 кГц. Измерительный сигнал снимается с подвижной рамки через токопроводящие пружинки подвеса, затем он фильтруется и детектируется. При равенстве парциальных емкостей дифференциального конденсатора уровень измерительного сигнала будет равен нулю, а при наличии внешнего воздействия из-за неравенства парциальных емкостей дифференциального конденсатора – будет отличен от нуля. Уровень этого сигнала будет пропорционален величине ускорения, а знак продетектиро-ванного сигнала однозначно определяет направление действия силы, приведшей к появлению указанного ускорения. Более подробная информация о принципе действия дифференциального конденсатора приведена в [2].
Линейный диапазон измерительной характеристики электромеханического сенсора имеет большую протяженность, однако для реальных измерений используется только восьмая часть этого диапазона. Сигнал электромеханического сенсора после детектирования проходит через ФНЧ Бесселя второго порядка. Такая организация измерительного процесса позволяет избежать переполнения разрядной сетки выходного устройства при появлении кратковременных ударных воздействий большой силы, характеризующихся ускорением более 70 g. Реакция измерительной системы на импульсное ударное воздействие величиной 560 g длительностью 0.1 мс показана на рис. 3 [1]. сформированы другими (по отношению к датчику ударных воздействий) устройствами измерительной системы. Результаты оцифровывания записываются во внутренний регистр AUX_ADC и могут быть считаны с использованием последовательного интерфейса.
Рис. 3. Реакция датчика ADIS16204 на кратковременное ударное воздействие
Цифровые данные на выходе АЦП представлены в виде непосредственного двоичного кода. Диапазон измерения входного сигнала находится в пределах от 0 В до VREF (опорного напряжения АЦП). В микросхеме применен высокоточный стабильный источник опорного напряжения, юстировка которого осуществляется при ее изготовлении.
Входные цепи АЦП защищены от перегрузки по напряжению двусторонним диодным ограничителем, включенным между общей шиной и шиной напряжения питания. Уровень ограничения составляет +300 мВ относительно напряжения питания (VDD) и -300 мВ по отношению к общей шине (0 В). Типовое значение
Встроенный АЦП выполнен по схеме 12-раз-рядного АЦП последовательных приближений. Он предназначен для оцифровывания аналоговых сигналов, которые могут быть входного сопротивления по сигнальному входу составляет 100 Ом, а входная емкость – около 4 пФ. Максимальный ток через диоды ограничителя не должен превышать 10 мА. Для корректного измерения уровня сигнала с помощью встроенного АЦП рекомендуется подключать ко входу микросхемы источник сигнала с малым выходным сопротивлением, для чего может понадобиться использование дополнительного буферного усилителя. Выходное сопротивление источника сигнала не должно превышать 1 кОм. Во избежание искажений измерения и для улучшения отношения сигнал/шум в оцифрованном сигнале входной сигнал рекомендуется подвергать низкочастотной фильтрации.
Последовательный сигнальный интерфейс, реализованный в ADIS16204, содержит четыре сигнальных линии: CS – выбора кристалла, SCLK – тактирования данных, DIN – входных данных, DOUT – выходных данных.
Датчик ADIS16204 содержит одиннадцать 16-разрядных информационных регистров.
Программирование и управление работой ADIS16204 осуществляется с помощью набора команд, которые предоставляют широкие возможности выбора режимов работы и диагностики.
Лайкнути
Твітнути