Analog Devices: обзор датчиков iMEMS с цифровым выходом Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Analog Devices:

обзор датчиков iMEMS с цифровым выходом

Алексей ВЛАСЕНКО

alexey.vlasenko@analog.com.ru

Микромеханические датчики iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System), выпускаемые фирмой Analog Devices, давно и прочно утвердились на рынке, в том числе и в России. Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) iMEMS были выпущены в 1991 году. Акселерометры iMEMS были разработаны специально для систем безопасности автомобилей, где они применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности.

Введение

Сегодня эти акселерометры применяются в качестве инерциальных датчиков в самых разных областях как в промышленной, так и в потребительской электронике. Кроме того, вот уже около 5 лет фирма Analog Devices наряду с акселерометрами выпускает интегральные гироскопы серии ADXRS, также изготовленные по технологии iMEMS. Эти инерциальные датчики позволяют получить информацию об угловой скорости объекта и благодаря малым размерам и низкому энергопотреблению применяются в портативной аппаратуре с автономным питанием, в том числе в беспилотных летательных аппаратах, игровых консолях и системах стабилизации изображения.

В данной статье мы приводим обзор некоторых, наиболее характерных представителей нового семейства акселерометров и гироскопов — высокоинтегрированных при-

боров с цифровым интерфейсом семейства ADIS. В этих приборах помимо собственно датчиков имеются также аналого-цифровые преобразователи, температурные датчики и другие компоненты. Представители данного семейства обладают интерфейсами SPI и без лишних хлопот интегрируются в любую микропроцессорную систему.

Гироскоп ADIS16100 — датчик угловой скорости в диапазоне ±300°/с с интерфейсом SPI

Одним из таких приборов является гироскоп ADIS16100. Как видно из рис. 1, в этом приборе помимо датчика угловой скорости имеется температурный датчик, источник опорного напряжения, мультиплексор, АЦП и цифровой интерфейс SPI.

Практически все приборы, сделанные по технологии iMEMS, обладают значительны-

ми температурными коэффициентами чувствительности и дрейфом «нуля». Поэтому для получения высоких характеристик по точности в широком диапазоне температур мы настоятельно рекомендуем калибровать прибор в требуемом диапазоне температур с неким приемлемым шагом и использовать эти калибровочные коэффициенты для устранения температурной погрешности. Для этого удобно использовать встроенный датчик температуры.

Альтернативный путь повышения точности — это термостатирование прибора, для чего также может оказаться полезным встроенный датчик температуры. Однако при термостатировании, разумеется, значительно повысится энергопотребление системы в целом, и одно из существенных преимуществ датчиков 1МЕМЭ — их низкое энергопотребление — будет потеряно.

Обратите внимание, что в АЦП имеются входы, выведенные наружу, которые можно использовать для оцифровки внешних сигналов.

Основные характеристики гироскопа АОКШСС:

• полностью интегрированный гироскоп на одном кристалле;

• цифровой интерфейс ЭРГ;

• диапазон измеряемой скорости вращения ±3СС°/с;

• величина кода пропорциональна скорости вращения;

• чувствительность С,244°/с/Ь8Б (ЬЭБ — единица младшего разряда выходного кода);

• средства самотестирования;

• встроенный температурный датчик;

• два внешних входа АЦП;

• выдерживает ускорение до 2ССС %

(при включенном питании);

• однополярное питание 5 В;

• корпус 8x8 мм.

'SCLK

DIN

iCS

DOUT

AIN2

AIN1

Рис. 1. Структурная схема гироскопа ADIS16100

Инерциальные трехосевые датчики ADIS16350 и ADIS16355

Очень интересным высокоинтегрированным прибором является прибор ADIS16350 — это трехосевой инерциальный датчик, включающий в себя трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр. Данный прибор представляет собой законченный модуль инерци-альной навигации в специальном корпусе, готовый к установке в систему (рис. 2).

Основные характеристики инерциального датчика ADIS16350:

• трехосевой гироскоп с динамическим диапазоном ±320°/с;

• встроенный трехосевой акселерометр 10 g;

• полоса частот 350 Гц;

• спектральная плотность шума 0,05°/с/^Гц;

• разрешающая способность 14 разрядов;

• заводская калибровка усиления и смещения;

• установка параметров цифровой фильтрации и частоты дискретизации;

• программируемая система мониторинга работы прибора;

• дополнительные входы АЦП, ЦАП и входы/выходы общего назначения;

• самотестирование;

• интерфейс SPI;

• напряжение питания +4,75...+5,25 В. Обратите внимание, что шум гироскопов

задан в виде спектральной плотности и имеет размерность °/с/^Гц. Для получения величины шума в выходном сигнале угловой скорости необходимо интегрировать плотность шума по полосе частот, то есть в данном случае просто умножить значение плотности шума на корень из полосы частот.

Все гироскопы, выпускаемые сегодня фирмой Analog Devices по технологии iMEMS, представляют собой датчики угловой скорости. Но иногда нужно получить значение угла (направления, азимута и т. п.), то есть использовать прибор в качестве гирокомпаса или авиагоризонта. В таком случае необходимо интегрировать сигнал угловой скорости. Разумеется, при этом погрешность быстро накапливается, и поэтому получение достаточно точной информации о направлении возможно только на коротких промежутках времени, не более нескольких минут в лучшем случае, после чего сигнал направления придется сбрасывать или корректировать. Гироскопы фирмы Analog Devices в таком режиме применяются, например, в автомобильных системах навигации. Они позволяют обеспечить непрерывную навигацию в системах с GPS в ситуациях, когда сигнал спутников утерян на некоторое время.

Трехосевой датчик ADIS16355 аналогичен прибору ADIS16350, но обладает средствами температурной компенсации и обеспечивает более высокую точность в широком диапазоне температур без принятия дополнительных мер со стороны применяющего прибор разработчика.

Таблица 1. Гироскопы и комбинированные приборы iMEMS с цифровым выходом

N Описание Диапазон, °/с Чувстви- тельность, °/c/LSB Полоса, Гц Спектральная плотность шума, °/с/ Гц Потребляемый ток в активном режиме, мА, при VDD = 5 В Температурный диапазон, °С Цена*

ADIS16100 Гироскоп ±300 0,244 40 0,10 -40...+85 $34,95

ADIS16060 Широкополосный гироскоп ±80 0,012 1000 0,04 2,6 -40...+105 $34,95

ADIS16080 Гироскоп ±80 0,098 40 0,05 -40...+85 $34,95

ADIS16250 Программируемый гироскоп 0 2 +1 0 8 ± 0,018 50 0,05 18 -40...+85 $41,98

ADIS16251 Программируемый гироскоп ±20...±80 0,004 50 0,05 18 -40...+85 $41,98

ADIS16255 Программируемый гироскоп с температурной компенсацией 0 2 +1 0 8 ± 0,018 50 0,05 18 -40...+85 $55,90

ADIS16350 Трехосевой инерциальный датчик (3 гироскопа + 3 акселерометра) ±75...±300 0,018 350 0,05 35 -40...+85 $275,00

ADIS16355 Трехосевой инерциальный датчик (3 гироскопа + 3 акселерометра) повышенной точности ±75...±300 0,018 350 0,05 35 -40...+85 $359,00

* В таблице приведены цены на одну микросхему в партии 1000 штук.

Указанная цена действует только на территории США. Здесь она приведена в качестве ориентировочной.

RST

DIOO DI01

Рис. 2. Структурная схема трехосевого инерциального датчика ADIS16350

Величина угла наклона (град.)

Рис. 4. Зависимость ускорения от угла наклона инклинометра

Таблица 2. Акселерометры и инклинометры iMEMS с цифровым выходом

N Описание Чувствитель- ность** Потребляемый ток в активном режиме, мА, при VDD = 3,3 В Температурный диапазон, °С Цена*

ADIS16003 Двухосевой акселерометр на диапазон ±1,7 д 1,2 mg/LSB 1,4 -40...+125 $17,75

ADIS16006 Двухосевой акселерометр на диапазон ±5 д 3,9 mg/LSB 1,4 -40...+125 $17,75

ADIS16201 Программируемый двухосевой акселерометр/инклинометр 0,463 mg/LSB (0,1°/LSB) 11 -40...+125 $23,75

ADIS16203 Программируемый одноосевой акселерометр/инклинометр 0,025°/LSB 11 -40...+125 $23,75

ADIS16204 Программируемый акселерометр для больших значений ускорения — датчик ударов 17,125 mg/LSB 12 -40...+105 $20,95

ADIS16209 Прецизионный двухосевой акселерометр/инклинометр 0,244 mg/LSB (0,025°/LSB) 11 -40...+125 $34,40

* В таблице приведены цены на одну микросхему в партии 1000 штук.

Указанная цена действует только на территории США. Здесь она приведена в качестве ориентировочной. ** Чувствительность приведена в тдДБВ, где 1 тд = д/1000 = 0,0098 м/с2,

ЬБВ — единица младшего двоичного разряда.

Акселерометр-инклинометр ADIS16201 с цифровым выходом величины угла

Интересный представитель серии акселерометров с цифровым выходом — двухосевой акселерометр-инклинометр ADIS16201. Его основные характеристики.

• 12-разрядный цифровой код на выходе;

• динамический диапазон ±1,7 g;

• 10-разрядный код от температурного датчика;

• программируется посредством цифрового интерфейса: чувствительность, смещение, частота отсчетов, АЧХ;

• программируются уровни срабатывания сигнала Alarm;

• имеются встроенные средства самотестирования;

• имеется режим отключения (shutdown);

• высокоскоростной интерфейс SPI;

• дополнительный 4-разрядный порт;

• 12-разрядный ЦАП, 12-разрядный АЦП;

• напряжение питания 3-3,6 В;

• рабочий температурный диапазон от -40 до +125 °C;

• корпус LGA 9x9 мм.

Прибор имеет массу полезных достоинств, в том числе встроенный температурный датчик, внешние входы АЦП и средства самотестирования. Но, пожалуй, самое уникальное заключается в том, что этот прибор выдает цифровой код, соответствующий углу наклона, а не просто проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности, как это свойственно обычным акселерометрам (рис. 4).

Возможность получить цифровой код, соответствующий значению угла, делает данное устройство более удобным в применении и освобождает процессор от пересчета значения ускорения в значение угла, то есть от вычисления арксинуса. ■

Литература

1. Власенко А. Интегральные гироскопы iMEMS + датчики угловой скорости фирмы Analog Devices // Электронные компоненты. 2003. № 2.

2. Власенко А. Инклинометр на базе микроконвертора ADuC845 и акселерометра ADXL103 фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. 2006. № 6.

3. www.analog.com/iMEMS