ИННОВАЦИОННЫЕ МИКРОСХЕМЫ ASIC PICOCAP ОТ КОМПАНИИ ACAM: ВРЕМЯ-ЦИФРОВЫЕ ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Инновационные микросхемы ASIC PICOCAP от компании Acam:

время-цифровые емкостные преобразователи

Светлана СыСОЕВА

В статье рассказывается о серии ASIC PICOCAP немецкой компании Acam — мощном и в высокой степени программируемом решении для интерфейса сигнала емкостных датчиков на основе технологии время-цифровых преобразователей (ВЦП) с типичным разрешением пико-секундного диапазона.

ASIC-кристаллы Acam PICOCAP представляют собой высокоточные, быстродействующие и универсальные устройства, которые хорошо подходят для емкостных MEMS-датчиков и характеризуются гибкостью в отношении входного диапазона емкости, широким набором возможных подключений датчиков, конфигураций и параметров с возможностью очень низкого потребления тока. Программирование мощного встроенного сигнального процессора ЦОС, в том числе с запасанием калибровочных коэффициентов в EEPROM, позволяет легко и удобно адаптировать продукты PICOCAP для любых клиентских применений емкостных датчиков.

Введение

Микросхемы PICOCAP компании Acam [1] представляют собой гибкое однокристальное ASIC-решение для интерфейса и непосредственного цифрового преобразования емкости датчика, подключенного к входному каналу микросхемы. Основу технологии инновационных ASIC Acam составляют так называемые время-цифровые преобразователи (ВЦП), принцип действия которых основан на квантизации временных интервалов при разряде измеряемой емкости конденсатора с типичным разрешением пикосекундного диапазона.

Входная емкость может варьироваться в широком диапазоне — почти от 0 фФ до сотен нФ, — предела значения емкости, измеряемой посредством микросхем PICOCAP, практически не существует. Это позволяет использовать один и тот же кристалл ASIC для широкого спектра датчиков. Микросхемы PICOCAP специально разрабатывались и в особенности хорошо подходят для емкостных МЭМС-датчиков.

Современный рынок МЭМС-технологий отличается высокими совокупными среднегодовыми темпами роста. По данным Yole Development 2013 года, в 2012 году MEMS-сектор характеризовался 10%-ным средне-

годовым ростом и достиг объема в $11 млрд. Глобальный рынок МЭМС ежегодно увеличивается на 12-13% в объеме выручки, которая, согласно ожиданиям экспертов, в 2018 году достигнет $22,5 млрд. Аналитики предполагают, что число проданных единиц МЭМС в то же время составит 23,5 млрд. Сегодня ведущей отраслью в развитии современного рынка МЭМС-датчиков является сегмент потребительской электроники и мобильных устройств. В данном сегменте, в свою очередь, основной технологией МЭМС становятся инерциальные датчики движения — акселерометры, гироскопы, блоки инерциальных измерений измерений (акселерометр+гироскоп) и компасы, объединяющие акселерометр и магнитометр. В мобильной электронике получили распространение датчики инерции, аппаратно и программно объединенные с магнитометрами в 6- и 9-осевые сенсорные модули, в комбинации с датчиком давления — в 10-осевые сенсорные решения. Новой тенденцией является комбинирование датчиков инерции с различными типами датчиков и МК в мультисенсорные узлы.

Важнейшие общие тенденции современного рынка МЭМС-датчиков особенно ярко проявились в сегменте датчиков инерции и включают использование сложными приложениями одновременно нескольких вхо-

дов и слияние данных различных датчиков. Такая технология именуется «сенсорное слияние» и лежит в основе следующего поколения комби-датчиков. На данный момент известны уже не только мультиосевые инерциальные комби-датчики для детектирования движения, но и различные комбинации других типов датчиков (например, в одном модуле могут быть интегрированы датчики давления, влажности и температуры). Технология следующего уровня интеграции представляет собой сенсорный узел, в котором слияние и обработку данных одного или различных типов датчиков, объединенных между собой, выполняет прикладной микроконтроллер с ПО, интегрированный в систему на плате, систему в корпусе или на кристалле, и допускает подключение внешних датчиков различных типов. В целом, в настоящее время наблюдается переход от концепции автономного МЭМС-датчика на кристалле к созданию интегрированных систем, в которых датчик является неотъемлемой частью полного системного решения.

Причем уже не только комби-, но даже одиночные датчики — в частности, трех-осевые МЭМС-акселерометры — теперь снабжены собственными встроенными или внешними ASIC и микроконтроллерами. Алгоритмы функционирования МК-датчика

могут быть любыми — от обработки и формирования сигнала встроенного МЭМС-кристалла до слияния данных встроенного и внешних датчиков и любых типов виртуальной эмуляции датчиков за пределами имеющихся физически.

В ответ на эти потребности рынка компании — разработчики и производители МЭМС-продуктов вертикально интегрируются для создания комби-датчиков, чтобы осуществлять их калибровку и компенсацию при производстве и снабжать встроенными алгоритмами согласно применению. А такой подход требует обеспечения вычислительных мощностей кристаллов выше традиционно встроенной в стандартные сигналообработ-чики датчиков (SSC) или специализированные согласно применению интегральные схемы (ASIC) для изделий МЭМС.

Большинство датчиков инерции представляют собой именно емкостные датчики — к ним относятся акселерометры, гироскопы, смежными с датчиками инерции являются емкостные датчики давления, влажности и микрофоны. В новых мобильных телефонах все вышеперечисленные типы датчиков плотно интегрированы между собой. Передовые модели смартфонов снабжены датчиками давления и влажности, датчики давления становятся составной частью современных систем персональной навигации по этажам, а микрофоны, по сути, те же емкостные преобразователи движения или давления, адаптированные к восприятию воздействий звуковых волн и использованию в качестве звукового интерфейса. Поскольку достижения потребительского и мобильного сегментов, позволяющие добиться более высокого уровня характеристик при неуклонном снижении цены, могут широко применяться промышленностью, автоэлектроникой и high-end-техникой, формируется значительная потенциальная ниша для емкостных МЭМС-преобразователей.

Так, в промышленности емкостные датчики широко используются для контроля уровня заполнения. Помимо хорошо известных автомобильных применений емкостных МЭМС-преобразователей для измерения ускорения и давления, емкостные датчики влажности в автомобиле могут быть предназначены для контроля конденсата и автоматического обогрева ветрового стекла. Еще раз акцентируем внимание разработчиков на том, что промышленный, автомобильный и high-end-секторы перенимают тенденции и достижения потребительской электроники, что означает всеобъемлющую потенциальную востребованность емкостных преобразователей следующего поколения в виде комби-датчиков и со слиянием данных различных датчиков и сенсорных узлов.

Специально для емкостных датчиков следующего поколения разработаны кристаллы PICOCAP Acam, которые представляют собой интеллектуальные ASIC-решения для

выполнения высококачественных измерений множественных емкостных входов в сочетании с бортовой вычислительной обработкой.

Микросхемы PICOCAP обеспечивают высокий уровень характеристик и точности емкостных преобразователей с возможностью ультранизкого потребления тока. Высокое качество измерений является результатом применения технологии время-цифровых преобразователей (ВЦП), положенных в основу практически полностью цифровых измерительных решений Acam. Высокое временное разрешение пикосекундного диапазона обусловливает не только высокую измерительную точность, но и эффективное быстродействие этих инновационных устройств. ASIC PICOCAP — точные, быстродействующие, масштабируемые, гибкие, универсальные и программируемые решения с крайне низким потреблением мощности для широкого круга применений емкостных МЭМС-датчиков в различных отраслях промышленности.

Явным преимуществом технологии PICOCAP над стандартными обработчиками сигналов является программируемость, предоставляющая возможность гибкой адаптации. Множество стандартных SSC для ре-зистивных и емкостных МЭМС-датчиков изготавливается с расчетом на такие же стандартные МЭМС-датчики (например, датчики давления и влажности для промышленного и автомобильного рынков) и включают блок энергонезависимой памяти для хранения калибровочных коэффициентов. Другие SSC

и ASIC с целью охвата большего количества применений имеют встроенные алгоритмы компенсации датчика общего назначения. Реальным недостатком ряда SSC становится отсутствие программирования, которое позволяет пользователю разрабатывать алгоритмы функционирования датчика и программное обеспечение.

В отличие от многих других, PICOCAP представляют собой именно программируемые микросхемы, в которых программируется не память, а процессор ЦОС.

Acam предоставляет для некоторых приложений базовую программную прошивку, готовую к использованию и легко адаптируемую для собственного применения. Решения на основе прошивки Acam дают полный контроль над приложением и возможность использовать преимущества выпуска обновлений программного обеспечения вместо полной реконструкции устройства при добавлении или изменении функциональности.

Общие преимущества технологии PICOCAP:

• Широкий входной диапазон емкости — практически от 0 фФ до сотни нФ.

• Высокое разрешение до 22 бит.

• Высокая частота измерений до 500000 выб./с.

• Крайне низкий ток потребления — всего несколько мкА.

• Путем простой настройки программного обеспечения пользователь может выбирать между высоким разрешением, высокой скоростью измерения или малой мощностью.

О компании Acam

С момента создания в 1996 году компания Acam Messelectronic GmbH (Германия) занимается разработкой и производством цифровых решений для аналоговой измерительной техники, основанных на технологии ВЦП — время-цифровых преобразователей (time-to-digital converters, TDC). На основе своей технологии ВЦП, которые используют задержку срабатывания простых логических вентилей для измерения временных интервалов, Acam достигла уровня разрешения в пикосекундном диапазоне.

Компания Acam — мировой лидер в рыночном сегменте ВЦП-решений, выпускаемых в рамках пяти продуктовых линеек для космической, промышленной, медицинской, потребительской и автомобильной отраслей и адаптированных к измерениям скорости вращения, емкости и сопротивления. Семейства продукции получили наименования PICOTURN, PICOSTRAIN и PICOCAP, что отражает пикосекундный уровень разрешения и точности, достижимый посредством измерительного принципа ВЦП [1—5].

Компания Acam — фаблесс-поставщик SoC SSC ASIC, представляющих собой мощные цифровые устройства интерфейса сигналов датчиков с несколькими аналоговыми входами.

Важнейшей стратегией компании является широкое внедрение своих оригинальных цифровых измерительных методов как более эффективных по сравнению с традиционными аналоговыми методами. Преобразователи TDC уже показали свои преимущества при подключении к ним емкостных датчиков, особенно в сегменте сложных емкостных MEMS-датчиков. Их выдающиеся преимущества, включая очень низкое энергопотребление, высокую точность и широкий измерительный диапазон, дополняются конкурентным ценообразованием.

Запатентованные технологии, включая PICOCAP (с емкостным интерфейсом) или PICOSTRAIN (с резистивным интерфейсом) [3, 4], сделали возможным участие решений Acam в престижных проектах, например в топографических измерениях лунной поверхности, проводимых NASA в рамках проекта Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) [5]. Время-цифровые преобразователи Acam основаны на стандартной CMOS-технологии, упрощающей осуществление клиентских требований и снижающей технический риск ASIC- и SoC-решений.

CMOS ВЦП Acam представляют собой быстрые, очень точные и универсальные, а также практически полностью цифровые устройства, которые по сравнению с другими конкурирующими технологиями имеют относительно небольшую аналоговую часть. ВЦП обеспечивают масштабируемость, компактность и высокие характеристики устройств со смешиванием сигнала, представленных, в частности, серией Acam PICOCAP.

и

Vcap

Vtrig-

Время

8 циклов (пример) = 1 опорный + 7 датчиков Период блока = 8 * Время цикла

Время

Время

Рис. 1. Емкостный измерительный принцип PICOCAP: а) измерительная схема; б) временная диаграмма; в) измерительные циклы

|_Sc

Время —

заряда 1 Время

| разряда

порог- —--

Время

Время цикла = Время разряда + Время заряда

один блок

и

CREF2

-L с,

Rdischext

Caux_EXT

Полный спектр применений технологии PICOCAP включает:

• датчики влажности;

• датчики давления;

• микроэлектромеханические системы (МЭМС);

• датчики ускорения;

• датчики наклона;

• датчики свободного падения;

• датчики положения;

• сенсорные (тач) датчики;

• датчики угла;

• датчики уровня;

• микрофоны.

PICOCAP — гибкое решение для непосредственного цифрового преобразования емкости

Запатентованный измерительный принцип, лежащий в основе технологии PICOCAP, представляет собой новый цифровой подход к измерению емкости посредством время-цифрового преобразователя (ВЦП), или TDC (Time-to-Digital Converter), с ультравысокой точностью (рис. 1) [1, 2, 4]. Измерительный принцип преобразователей использует цикл разряда заряженного емкостного датчика через сопротивление. Интерфейс датчика PICOCAP основан на измерениях соотношений между чувствительной емкостью и эталонной (опорной) емкостью. Сенсорный конденсатор и опорный конденсатор подключены к резистору, образуя ФНЧ. Конденсаторы вначале заря-

жаются напряжением питания, а затем разряжаются через резистор. Время разряда измеряется подсчетом циклов заряда и разряда емкостей вплоть до порогового уровня. Для точного квантования временных интервалов с достижением разрешения пикосекундного диапазона ВЦП используют задержку срабатывания простых логических вентилей.

Измерительный процесс повторяется во времени с мультиплексированием для обоих конденсаторов с помощью тех же резистора и компаратора. Расчет соотношения результатов будет выводить абсолютные значения и температурные зависимости резистора и компаратора.

Входная емкость может варьироваться между 0 фФ до сотни нФ — практически не существует предела для величины емкости конденсатора, которая может быть измерена. Это обеспечивает высокую гибкость клиентского применения и позволяет использовать один и тот же кристалл для широкого спектра датчиков. Р1СОСАР также обеспечивает мощную комбинацию характеристик и точности с возможностью ультранизкого потребления тока.

Скомпенсированный режим Р1СОСАР предлагает решение для приложений с высоким разрешением, низким смещением и экстремально низким дрейфом коэффициента усиления. В данном режиме конденсаторы с плавающими электродами без опорного подключения на «землю» подсоединяются попеременно к резистору через встроенный аналоговый ключ. Дополнительные

1

I

И

запатентованные схемы и алгоритмы компенсируют паразитные емкости, которые оказывают негативное влияние на изменение коэффициента усиления в зависимости от температуры. Результат компенсации — низкий дрейф коэффициента усиления по температуре вплоть до 0,5 ppm/K, что превосходит показатели дрейфа, присущего большинству датчиков [1, 5].

Обзор серии PICOCAP

Линейка продукции Acam PICOCAP включает набор из нескольких полностью интегрированных решений SSC для непосредственного емкость-цифрового преобразования capacitance-to-digital conversion (CDC) и сопротивление-цифрового преобразования resistance-to-digital conversion (RDC) при измерении температуры и формировании выходного сигнала датчика. ASIC PICOCAP — это специализированные микросхемы, центральным блоком которых является цифровой сигнальный процессор, выполняющий емкость-цифровое преобразование на основе технологии TDC компании Acam. Устройства PICOCAP рекомендованы для измерения температуры, давления, влажности и движения (линейного и углового).

Продуктовая линейка PICOCAP была впервые представлена в 2010 году микросхемами ASIC PCap01, затем состоялись последующие выпуски специализированных решений в 2012 (PCap02) и 2013 годах (PCap03)

(рис. 2) [1, 5]. PCap01 была первым кристаллом продуктовой линейки PICOCAP, которая используется в основном для датчиков давления от mid-end- до high-end-сегмента, PCap02 более всего подходит для измерения влажности и точки росы датчиков, PCap03 обеспечивает максимальные характеристики для high-end-датчиков давления, инерциальных датчиков, комби-датчиков и других.

Во многом сходные, кристаллы-преемники имеют отличительные признаки, сведенные в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика

ASIC PICOCAP Acam для емкостных преобразователей

Характеристики PCap03 PCap02 PCap01

Измерительный диапазон от пФ до нФ V V V

Максимальное число каналов1 б а а

ЦОС V V V

Самый низкий уровень шумов2 V x V

EEPROM для запасания параметров V V x

Улучшенное возбуждение МЭМС3 V V x

Интегрированная опорная емкость V V x

Низкочастотный осциллятор V V V

ВЧ-осциллятор4 V V x

PCap03 High-end-датчики давления Датчики заполнения/уровня Инерциальные датчики Комби-датчики

PCap02 Датчики влажности Датчики точки росы Комби-датчики

PCapOl Датчики давления от mid-end до high-end Датчики заполнения и уровня

PTOUT РТО РТ1 PT2REF

PCO РС1 РС2 РСЗ РС4 РС5 РС6 РС7 PCAUX

Блок RDC (температура)

Блок CDC (емкость)

■8 а

Конфигурационный регистр 11*24 бит

Регистр

ПОСТОЯННЫХ

9*24 бит

ЦОС 48 бит

RAM 48*48 бит

OTP 4Кх8 бит

SRAM 4Кх8 бит

Блок контроля осциллятора кварц RC внутреннее

Регистр результатов 12*24 бит

Регулятор напряжения

12С/ SPI

GPIO

PWM/ PDM

IICEN INTTN

SCK_SCL SSN_PG0 MISO_PG1 MOSI SDA

PG2 PG3

PG4 PG5

OXIN OXOUT

Примечания. 1 — В режиме одноконечного заземления включает опорный конденсатор.

2 — RMS шум <10 аФ.

3 — Возможность заряда МЭМС-датчика

в различных стадиях для избегания эффекта звона.

4 — ВЧ-интегрированный ВЧ-осциллятор, частотой типично 4 МГц.

Следующая таблица (табл. 2) показывает спектр применений соответствующих кристаллов.

Таблица 2. Спектр применений ASIC PICOCAP Acam для емкостных преобразователей

Рис. 3. Блок-схема PICOCAP PCap01

PCap01 — базовый представитель семейства преобразователей емкость — цифровой код с интегрированным сигнальным процессором

PCap01 — это емкость-цифровой преобразователь, который предлагает беспрецедентную степень гибкости клиентского использования в широком спектре применений датчиков [1, 5]. Благодаря запатентованной концепции PICOCAP устройство охватывает емкостный входной диапазон от нескольких фФ до нескольких сотен нф.

PCap01 является конфигурируемой и полностью оснащенной микросхемой, включающей 48-разрядный сигнальный процессор с гарвардской архитектурой, многоканальный аналоговый вход датчиков, память SRAM объемом 4 кбайт, OTP объемом в 4 кбайт для запуска клиентской прошивки, а также бортовой датчик температуры.

Полный список ключевых признаков PCap01 предусматривает [1]:

• До восьми емкостей в заземленном режиме.

• До четырех емкостей в плавающем режиме (без потенциала и с нулевым напряжением смещения).

• Компенсацию внутренних (заземленных) и внешних паразитных емкостей (плавающих).

• Высокое разрешение: до 6 аФ на частоте 5 Гц и 10 пФ базовой емкости, 17-битное разрешение на 5 Гц с 100 пФ базовой емкости и 10 пФ емкости возбуждения.

• Высокую скорость измерений — до 500 кГц.

• Чрезвычайно низкое потребление тока: возможно до 4 мкА при 3 Гц с разрешением в 13,4 бит.

• Высокую температурную стабильность, низкий дрейф напряжения смещения

(до 30 аФ/К), низкий коэффициент усиления.

• Внутренние измерения температуры (разрешение 25 мК) или выделенные порты для прецизионного измерения температуры посредством элементов Pt1000 (разрешением 5 мК).

• Последовательный периферийный интерфейс (SPI-совместимый).

• Интерфейс Inter-Integrated Circuit (I2C-совместимый).

• Нет необходимости тактирования.

• Ядро RISC-процессора характеризуется использованием гарвардской архитектуры: 48x48 бит данных в ОЗУ.

• 4Кх8 бит энергозависимой программной памяти для высокоскоростной работы (от 40 до 100 МГц).

• 4Кх8 бит энергонезависимой (OTP) программной памяти.

• Один источник питания (от 2,1 до 3,6 В).

• Корпус QFN24 или QFN32. Блок-схема PCap01 представлена на рис. 3.

Запатентованный сенсорный интерфейс переднего фронта обеспечивает проведение высокоразрешающих измерений емкости (порядка 21 бит) на высоких скоростях, соответствующих временным интервалам в 2 мкс или частоте в 500 кГц.

На рис. 4 показана блок-схема устройства с процессором ЦОС и периферийными блоками.

Сорокавосьмибитный цифровой сигнальный процессор ЦОС (DSP), интегрированный в кристаллы PICOCAP, отвечает за извлечение информации из измерительных блоков емкости (CDC) и сопротивления (RDC), обработку данных и их доступность для пользовательского интерфейса. Оба типа необработанных данных CDC/RDC, а также данные, обработанные

CDC

IIC/SPI-интерфейс

ОЗУ

ЦОС-чтение

ТМ2 ТМ1

тмо

TREF2

Рагатв Param7

Рагатб Рагатб Рагат4 РагатЗ Рагат2 Paraml РагатО

ARyjsi

TCsg

ТС78

ТС56

ТС34

ТС12

ТС8

ТС7

ТС6

ТС5

ТС4

ТСЗ

ТС2

ТС1

ЦОС-запись

Res 5 Res 4 Res3 Res 2

Res 1 Res О

PULSE1_

PULSEO

ADR 63 63 61

Shift register

Special function register Res 11

4«

Res 9 Res 8

Normal register

44*

58 57 56 4(Ь5_ 54 53 ST-51 50 49

48 47 46 45 44 43

ЦОС-чтение/запись

регистр состояния

регистры конфигурации

IIC/SPI-интерфейс

Программная память (SRAM или OTP)

4КХ8 бит

RAD-стек 4«

ОЗУ адресов указателя RAD 6 бит

Accu R 48 бит

ЦОС

Сче ком 12 гчик анд 5ит РС-сгек 8х

Инструкция декодера

ACCU А 48 бит

Accu В 48 бит

АЛУ

|c|o|s|z

I/O бит, 64x1 вход, 16x1 выход

Рис. 4. Блок-диаграмма цифровой обработки сигналов PCap01

с помощью DSP, хранятся в оперативной памяти. Программа для управления сигнальным процессором хранится в OTP или SRAM. Процессор ЦОС может собирать различные сведения состояния из набора 64 битов ввода/вывода (I/O) и записывать обратно 16 из них. Это позволяет процессору DSP реагировать, а также контролировать выводы ввода/вывода общего назначения (GPIO) PCap01. Сигнальный процессор внутренне синхронизируется с тактовой частотой примерно 100 МГц и также имеет возможность для внешней синхронизации — например, с низким энергопотреблением. Внешнее тактирование может быть остановлено с помощью команды прошивки, соответствующей экономии энергии. Затем сигнальный процессор стартует снова по сигналу GPIO или при выполнении условия «конец измерения». Простейший алгоритм функционирования ЦОС состоит в передаче измерительной информации о времени от CDC/RDC к регистрам чтения без какой-либо дальнейшей обработки. Измерения в реальных условиях обеспечиваются посредством вычислений соотношений емкости и скорректированы с учетом калибровочных коэффициентов, хранящихся в блоке нестираемой памяти. Измерения производятся при использовании оператив-

ной памяти, доступной через коммуникационные порты I2C или SPI.

Сенсорный интерфейс ASIC PICOCAP основан на ратиометрических измерениях соотношений между чувствительной емкостью и эталонной емкостью [1, 5]. Измерительный принцип емкостного преобразователя одинаков для всех микросхем семейства и использует цикл разряда заряженного емкостного датчика через сопротивление, как показано на рис. 1. В схеме на рис. 1 внешний конденсатор C1, представляющий собой одноконечный и внешне заземленный датчик давления, заряжается до VDD через интегрированные элементы SCHG и PCI. Когда С1 полностью заряжен, SCHG отключается, в то время как переключатель SDISCH включается для разряда C1 через резистор (например, 10 кОм). Цикл одного полного заряда и разряда конденсатора составляет один цикл измерения. Время разряда определяется путем подсчета количества циклов разряда из заряженного состояния до момента, когда емкость разрядится ниже определенного порогового уровня. Процесс измерения повторяется с мультиплексированием во времени с обоими конденсаторами с помощью того же резистора и того же компаратора. Расчет соотношения результатов будет давать абсолют-

ные значения и температурные зависимости резистора и компаратора.

Влияние температуры, напряжения питания и других эффектов, которые обычно связаны с нестабильностью тактирования, эффективно устраняется посредством компенсации. Проблема интерфейсов емкостных датчиков — паразитная емкость, так как всегда будут присутствовать определенные уровни внутренней и внешней паразитных емкостей. Для датчиков с заземлением одной из обкладок внутренняя паразитная емкость компенсируется Р1СОСАР. Но внешняя паразитная емкость непосредственно в измерительной цепи становится частью сигнала датчика и может присутствовать в виде, например, небольшого постоянного смещения сигнала. Плавающие датчики с обеими обкладками конденсатора, подключенного к микросхеме, предлагают решение для приложений, основными особенностями которых являются высокое разрешение, низкое смещение и очень низкий дрейф коэффициента усиления. Конденсаторы подсоединяются попеременно к разрядной резисторной сети посредством интегрированного аналогового ключа. Дополнительные запатентованные схемы и алгоритмы компенсируют паразитную емкость, которая могла бы быть в ином случае зависима от температу-

С заземлением одной из обкладок

Одиночное плавающее подключение

I I I

I,

РСЗ

РС1

РСО

о

О.

со

о

Ст-

опорный, 7 датчиков

1 опорный, 3 датчика

С заземлением дифференциальных датчиков

Плавающее подключение дифференциальных датчиков

Г

РСЗ

г

РС1

ж

РСО

о о. со

о 0.

Ж

РС7 РС6

РС5 РС4

Ж

РСЗ РС2

й

РС1 РСО

о

О.

со

о

Q.

4 датчика

2 датчика

Рис. 5. Конфигурации подключений датчиков к PCap01

ры. Результат компенсации — очень низкий дрейф коэффициента усиления в зависимости от температуры, для PCap01 — до 2 ppm/K. На рис. 5 представлен полный обзор возможных схем подключения датчика с PCap01 [5].

PICOCAP сочетает высокий уровень характеристик и точности вместе с настраиваемым параметром низкого потребления тока. PCap01 подходит для приложений с самым низким током потребления в несколько мкА так же хорошо, как и для решений, которые требуют высочайшей точности (разрешения) 20 бит и более или скоростей обновления до 500 000 измерений в секунду.

Посредством программного интерфейса пользователь может выбрать предопределенную конфигурацию. Возможности выбора конфигурации включают высокое разрешение, высокую частоту дискретизации и малую мощность для систем батарейного питания.

Данные датчика могут быть линеаризованы на кристалле ASIC PICOCAP и выводятся через SPI, IIC или цифровой последовательный интерфейсы. Кроме того, устройство предлагает входы и выходы для PWM/PDM выходных сигналов. Далее эти входы и выходы можно использовать для прерывания, индикации уровня предупреждающего сигнала или для общего назначения.

Наконец, PCap01 поставляется в корпусах QFN малых размеров или на кристаллах и согласно малому количеству внешних компонентов (по крайней мере необходимы только два внешних конденсатора) допускает компактную конструкцию системы при низких затратах для широкого диапазона применения емкостных датчиков.

Линейка продукции микросхем серии PCap01 представлена в таблице 3.

Таблица 3. Серия PCap01 ASIC PICOCAP

Продукт Артикул Корпус Тип

PCap01A 1613 Dice Преобразователь емкость — цифровой код для конденсаторов общим числом до восьми, 5 ЭРЮ

PCap01AD 1793 QFN32 Преобразователь емкость — цифровой код для конденсаторов общим числом до восьми, 5 ЭРЮ

PCap01AK 1795 QFN24 Преобразователь емкость — цифровой код для конденсаторов общим числом до шести, 5 ЭРЮ

Рис. 6. Аппаратная часть комплекта для оценки и разработки РСар01:

а) материнская плата и устройство программирования PICOPROG;

б) полный комплект принадлежностей для оценки РСар01, включая плагинный модуль

Платформа разработки.

Комплект для оценки и разработки PCap01

Для быстрого и легкого запуска приложений с использованием продуктовой линейки PICOCAP Acam предлагает оценочный комплект, обеспечивающий полную систему тестирования и оценки кристаллов PICOCAP согласно применению. Аппаратная и программная части комплекта показаны на рис. 6 и 7 соответственно.

Оценочный комплект PCap01 состоит из основной материнской платы, плагинного модуля платы, устройства программирования PICOPROG (рис. 6) и программного обеспечения для оценки на базе

Windows (рис. 7). Оценочный комплект предлагает удобную пользовательскую конфигурацию для оценки однокристального решения PCap01 для измерения емкости.

Комплект оценки PCap01 подключается к ПК через интерфейс USB. Удобное ПО для оценки позволяет запрограммировать и настроить PCap01.

Этот комплект может быть предназначен для оценки емкости, измерения температуры и оценки способности кристалла PCap01 к генерации импульсов. Данные измерения могут быть показаны в числовом и графическом виде. Наконец, данные могут быть

E В

Шла <РШ<1 ¡ML г«3а ifflbri So- hlliri ■U- .-I

■JJJ. fljUUl ■ • ИХ)«» 6 t UlUh gug Ш ■Hit

СНЫ ■ilJ. JJ4-- л AW 6 dp 4f]Jp Jjjiljd It Ш

wo ■;: п . ,V.I.L.LI - я, i d. » t и W

tin .'.LI L'J'.".1 ч. i rtp 0 I ¡4 И

• IWM - ч. 1 ^ n ft b bd

ILVtEf <IIJ- J.nil - -л "г f l:p ъ 1 1 W

ода '¿'Jl- (1*1*11 J -в и» 4 lip t № UK M

■ J'Jl- ...... ■J ' * E й Ш

ч ■"LJU" IFV1H а 1 g r « I D И

'Ч -jpj- IIIIH u V 1 f 1 ll ] ■ и

1J.H* liion - -л 1 0 'i;.- m г ijfl H

4JJJ1. lJflU u -л 1 □ IV ч-Т.ш WJ1' 1 lit

<UWfl № tfthp-tfUlp-

тцтг-

i

[ ВДрН

ffi Vilp "МНр-«ЗНр-"ftJUp-«l.T.'n

L_J _

Г. jAl -0. ^J J 'Г ■-»Л ' .1 . jPT».. п\п Г I A FWi ~wy

?

j'*> вг щ H.'j: IMC J !!■■ au u:-. L=V i a< . . >ш HV-

i j -из*«!! внн.

'■|j I LI

CI.«

Яя-.М,

И

Рис. 7. Программный графический интерфейс PCap01:

а) оболочка программной среды; б) режим графического вывода; в) диагностический режим; г, д) окна доступа к регистровым значениям

б

экспортированы в текстовый файл для дальнейшего анализа.

Для правильного использования системы оценки имеется действующая техническая документация и последние версии программного обеспечения.

Применения РСар01

Кристаллы серии Р1СОСАР хорошо подходят для емкостных МЭМС-устройств. Это в основном объясняется выдающейся универсальностью кристаллов и тем фактом, что они являются программируемыми. Кристаллы Р1СОСАР характеризуются гибкостью в отношении диапазона входной емкости, широким диапазоном возможных подключений датчиков и широким набором параметров, которые обеспечивают высокий уровень регулируемости (например, оптимизация конфигурации для малого потребления мощности, высокой скорости обновления или высокого разрешения).

Программирование мощного внутреннего 48-битного DSP-процессора с интегрированной памятью с пространством для размещения пользовательских программ позволяет легко и удобно адаптировать продукты Р1СОСАР для потребностей специалистов.

Кристаллы Р1СОСАР представляют собой интеллектуальные ASIC-решения, что подразумевает возможность высококачественных измерений в сочетании с мощной бортовой вычислительной обработкой. Внутренний программируемый 48-битный DSP-процессор позволяет удобно решать сложные задачи, такие как линеаризация датчика (в частности, давления, влажности и уровня заполнения), или проводить математические расчеты — например, расчет точки росы датчиков влажности [5]. Асат предоставляет для некоторых приложений базовую программную прошивку, готовую к использованию и легко адаптируемую для собственного применения.

Пример применения: МЭМС-датчик давления

Пример линеаризации датчика давления программируемого сигнального процессора PCap01 приводится в [5].

Емкостные датчики давления в диапазоне от 0,05 до 25 бар широко распространены в промышленных, автомобильных и потребительских системах. Их преимущества заключаются в высокой перегрузочной способности и низкой температурной чувствительности по сравнению с тензо- (пьезорези-стивными) датчиками давления. Линейность датчика — важнейшая составляющая характеристика точности, вследствие чего линеаризация находится в центре внимания многих производителей датчиков. Традиционно линеаризация осуществляется с помощью внешних схем, например операционными усилителями в комбинации с резисторами и посредством поиска в таблицах. Сегодня все более распространенными в ASIC стано-

---- Идеальный датчик

Реальный датчик

0

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Номинальное давление, %

/

^ *

** »* Г

етэ-1

п^^— Нелинейный датчик --- Прямая линия Полином 2-го порядка Полином 3-го порядка

0

Рис. 8. Полиномиальная аппроксимация нелинейной характеристики датчика давления: а) нелинейность датчика давления; б) полиномиальная аппроксимация

вятся алгоритмы калибровки для линеаризации, а также температурная компенсация, но эти ASIC часто ограничены фиксированным набором функциональности и точек калибровки/температуры.

Благодаря полностью программируемому сигнальному процессору PCap01 могут быть разработаны прошивки, специфицированные для удовлетворения требований применения конкретного датчика. Более того, процесс линеаризации может быть полностью автоматизирован [5].

Нелинейные функции, такие как выход датчика давления, можно описать с помощью математических уравнений, которые аппроксимируют кривую передаточной характеристики. Чем выше порядок полинома, тем лучше описание нелинейности. График на рис. 8 иллюстрирует best-fit-кривые, начиная от прямой линии до полинома 3-го порядка.

Красная кривая на рис. 8б является характеристикой нелинейного датчика, которая

затем аппроксимируется прямой линией первого порядка (оранжевый), полиномом 2-го порядка (зеленый) и полиномом 3-го порядка (зеленый/серый). Приближение тем лучше, чем выше порядок многочлена, особенно если нелинейность имеет несколько изгибов и/или имеет поворотный момент. Для линеаризации PCap01 в основу прошивки DSP был заложен полином 3-го порядка, что позволяет иметь оптимальный подход к линеаризации датчика. Чтобы избавиться от температурной зависимости измерений, для каждого коэффициента полинома линеаризации давления реализован 2-й порядок полиномиальной аппроксимации. Результат: линеаризация давления (3-й порядок) — образец датчика отображен на рис. 9 вместе с расчетными ошибками отклонения.

Требования конкретного приложения определяют, как много наборов данных используются для достижения линейных измерений; в недорогих системах высокая

линейность не важна, и измерения посредством высоко линейных датчиков давления с низкой температурной зависимостью также не потребуют сбора множественных данных измерений при различных температурах.

Другие применения емкостных преобразователей включают датчики влажности. Для улучшения работы датчиков влажности и других МЭМС-датчиков была выпущена микросхема PICOCAP Acam PCap02, представляющая собой следующее поколение ASIC емкостных преобразователей.

PCap02 — преобразователь емкость — цифровой код с интегрированным сигнальным процессором второго поколения

PCap02, как и его предшественник PCap01, предлагает высокую степень гибкости использования, но характеризуется еще более широкими возможностями.

Общие с PCap01 преимущества известны из запатентованной концепции PICOCAP — к ним относится широкий диапазон входной емкости от нескольких фФ до нескольких сотен нФ плюс универсальные возможности для настройки кристалла для достижения высокой скорости измерений до 500 000 Гц или низкого тока потребления всего в несколько мкА.

Кроме того, для PCap02 добавлен ряд новых функций и опций, например встроенная опорная емкость для уменьшения набора внешних компонентов или EEPROM для хранения пользовательских данных калибровки. Особый акцент сделан на улучшениях работы с датчиками влажности и МЭМС-датчиками. Полный список возможностей PCap02:

• До восьми емкостей в заземленном режиме.

• До четырех емкостей в плавающем режиме (без потенциала и с нулевым напряжением смещения).

• Компенсация внутренних (заземленных) и внешних паразитных емкостей (плавающих).

• Высокое разрешение: до 23 аФ на частоте 5 Гц и 10 пФ базовой емкости, что соответствует разрешению в 18,7 бит.

• Высокая скорость измерений — до 500 кГц.

• Чрезвычайно низкое потребление тока: возможно до 2 мкА при 3 Гц с разрешением в 13,1 бит.

• Внутренние измерения температуры (разрешение 25 мК) или выделенные порты для прецизионного измерения температуры посредством элементов Pt1000 (разрешение 5 мК).

• Последовательный периферийный интерфейс (SPI-совместимый), в настоящее время со способностью multi-slave.

• Интерфейс Inter-Integrated Circuit (PC-совместимый), в настоящее время — с автоинкрементом.

• Интегрированный опорный конденсатор (1-31 пФ).

• Расширен набор разрядного резистора до 1 МОм (для датчиков влажности).

• Два внутренних разрядных резисторных набора предназначены для эксплуатации двух различных датчиков (комби-датчиков).

• Опция предварительной зарядки — вариант медленной зарядки для снижения механических нагрузок (МЭМС-датчиков).

• Интегрированный тактовый генератор малой мощности и высокоскоростной осциллятор.

• Возможности самотестирования для дифференциальных датчиков (например, МЭМС).

• Ядро RISC-процессора характеризуется использованием гарвардской архитектуры: 80x48 бит данных в ОЗУ.

• 4Кх8 бит энергозависимой программной памяти для высокоскоростной работы (от 40 до 85 МГц).

• 4Кх8 бит энергонезависимой (OTP) программной памяти.

• Интегрированная память EEPROM 128 байт для калибровки данных.

Таблица 4. Серия ASIC PICOCAP PCap02

Продукт Артикул Корпус Тип

PCap02A 2001 Dice Преобразователь емкость — цифровой код для конденсаторов общим числом до восьми, 5 ЭРЮ

PCap02AE 2039 QFN32 Преобразователь емкость — цифровой код для конденсаторов общим числом до восьми, 5 ЭРЮ

PCap02-EVA-KIT 2055 Оценочный комплект Оценочный комплект, включая материнскую плату, платинный модуль, программатор, кабели и ПО

• PDM и PWM выход до 16 бит.

• Один источник питания — от 2,1 до 3,6 В.

• Корпус QFN24 или Dice (кристаллы).

Линейка продукции микросхем серии

PCap02 представлена в таблице 4.

Пример применения PCap02 — вычисление точки росы

Емкостные датчики влажности широко используются в приложениях для измерения температуры точки росы [5]. Роса представляет собой сконденсированную воду, а точка росы — это температурный порог, ниже которого в предопределенном объеме влажного воздуха при постоянном атмосферном давлении будет происходить конденсация насыщенного пара в жидкость. Точка росы рассчитывается на основе анализа комбинации измеренной температуры и относительной влажности. Высокая относительная влажность показывает, что точка росы находится недалеко от фактической температуры, и при 100%-ной относительной влажности температура точки росы равна измеряемой температуре воздуха, насыщенного водой.

Расчеты точки росы выполняются, в частности, для того, чтобы избежать скопления конденсата на лобовом стекле транспортных средств, предотвратить образование плесени в пищевой промышленности или оценить вероятность обледенения карбюратора из кабины самолета. Для расчетов точки росы зависимость от барометрического давления может быть устранена путем применения формулы Магнуса для аппроксимации давления насыщенного водяного пара над жидкой водой:

E = 6,1exp[(17,62T)/(243,12+T)j.

Применение формулы Магнуса для вычислений точки росы посредством ASIC PICOCAP имеет следующий вид:

Dp = 243,12k/(17,62-k),

где k = (log10(RH)-2)/0,4343 + (17,62T)/ /(243,12+T) — константа; T — температура, °C; RH — относительная влажность,%.

Обе микросхемы Acam PCap01 и PCap02 рекомендованы для приложений измерения точки росы, поскольку они оснащены емкостным интерфейсом датчика влажности, встроенным датчиком температуры, а так-

же имеют возможность добавления дополнительных внешних датчиков температуры для более точного определения температуры точки росы в труднодоступных местах.

Точность определения точки росы зависит от точности измерений относительной влажности и температуры. Точные вычисления потребуют применения точно откалибро-ванных датчиков, компенсации присущей датчику нелинейности, напряжения питания, температурной зависимости и, возможно, других факторов, таких как паразитная емкость. Датчики влажности обычно показывают переменную собственную нелинейность, для которой существуют различные отклонения от номинального значения в пределах рабочей относительной влажности датчика. Нелинейность — неотъемлемая характеристика датчика, обусловленная самой конструкцией датчика и его механическими свойствами. Для общей и оптимальной линеаризации датчика необходимо также учитывать и компенсировать влияние изменения температуры. Число наборов измерительных данных для калибровки и температурной компенсации датчика зависит от требований конкретного применения. Например, при настройке датчика в процессе производства данный процесс часто осуществляется при нескольких температурах. Впрочем, для конечных low-end-приложений может быть достаточно одной температуры в качестве точки поверки. Гибкое программирование допускает адаптацию собственных алгоритмов датчика к специфике конкретного устройства и условиям применения. Кроме того, точка росы может быть рассчитана на кристалле и выводиться в качестве скомпенсированного выхода.

РСарОЗ — преобразователь третьего поколения емкость — цифровой код с интегрированным сигнальным процессором

РСарОЗ является самым последним представителем серии Р1СОСАР, по планам разработчиков он будет устанавливать стандарты характеристик емкостных измерений еще более высокого уровня. Эти характеристики включают, в частности, низкий уровень шума, который РСарОЗ может обеспечивать в сочетании со значительно повышенной общей стабильностью результатов измерений.

Все возможности, введенные для РСар02, также доступны и для РСарОЗ. Новые возможности РСарОЗ:

• до шести емкостей в заземленном режиме;

• до трех емкостей в плавающем режиме (со свободным потенциалом и при нулевом напряжении смещения);

• высокое разрешение:

- 8 аФ или 20,2 бит на частоте 3 Гц и с базовой емкостью в 10 пФ;

- 390 аФ или 14,6 бит на 9 кГц

и с базовой емкостью в 10 пФ;

• очень хорошая долговременная стабильность;

• активная защита для бесконтактных выключателей.

Основное различие между РСар02 и РСар03 состоит в сниженном числе каналов (с 8 до 6), что сделано для достижения улучшенных шумовых характеристик. Данные особенности позволили рекомендовать РСар03 для high-end-приложений, в том числе high-е^-датчиков давления или комби-датчиков с сенсорными элементами различных диапазонов емкостей.

Применения, рекомендованные, в частности, для РСар03:

• датчики движения и инерции;

• МЭМС-датчики;

• датчики заполнения и уровня;

• датчики близости;

• датчики свободного падения;

• тач-датчики;

• комби-датчики.

В настоящее время существует большая рыночная ниша применений емкостных преобразователей, чьи измерительные характеристики могут быть улучшены посредством семейства РСар03. Данный сегмент находится в ожидании новых разработок.

Заключение

Практически любые типы измерений могут быть осуществлены с помощью технологии ВЦП — а именно положение, вес, давление, влажность и температура. В частности, микросхемы Асат Р1СОСАР открывают новое время для цифровых емкостных преобразователей.

Важнейшая стратегия Асат — передача выдающихся возможностей технологии

точного измерения физических параметров во времени посредством ВЦП широкому кругу клиентов, разрабатывающих потребительские, автомобильные, промышленные, научные и многие другие решения сложных измерительных задач.

В [6] суммированы 12 причин для выбора ASIC PICOCAP Acam. Технические причины:

• очень высокая частота сэмплинга (дискретизации) — до 500 кГц;

• низкая потребляемая мощность (в диапазоне мкА);

• гибкая конфигурируемость и программируемый 48-битный бортовой сигнальный процессор;

• подключение до 8 каналов с заземленными или 4 плавающими обкладками к одной микросхеме;

• практически нет ограничений в диапазоне входной емкости;

• высокое разрешение до 22 бит (например, 6 аФ RMS при (10 ±1) пФ). Коммерческие причины:

• очень малое количество внешних компонентов (ЦОС интегрирована);

• измерения для комбинаций датчиков посредством одного кристалла;

• ультракомпактные микросхемы;

• короткое время выхода на рынок благодаря гибкой ЦОС;

• дифференциация благодаря выдающимся техническим характеристикам;

• снижение затрат (уменьшенный размер платы, отсутствие внешних МК и др.). Микросхемы серии PICOCAP Acam представляют собой универсальный мощный и программируемый интерфейс сигнала емкостных датчиков, основанный на запатентованной технологии Acam ВЦП. PCap01 и его

преемники PCap02 и PCap03 показывают смещение парадигмы от стандартных одно-канальных SSC-датчиков к многоканальным измерениям и пользовательскому программированию, которое позволяет заказчикам разрабатывать индивидуальные решения со сложной функциональностью.

В целях упрощения процесса разработки клиентского ПО Acam обеспечивает расширенную поддержку, в том числе в виде примеров программных кодов для различных приложений, подробной документации — вплоть до организации учебных классов.

Компания Acam всецело поддерживает своих клиентов, предлагая им простые и удобные решения для интерфейсов емкостных и других преобразователей, обеспечивая высокую степень гибкости пользовательской эксплуатации в комбинации с возможностью быстрого вывода продукции на рынок. Микросхемы PICOCAP и других серий Acam — это примеры именно тех решений, в которых время действительно работает на вас. ■

Литература

1. www.Acam.de

2. www.Acam-e.ru

3. Сысоева С. Технология PICOSTRAIN компании Acam. Инновации, на которые работает время // Компоненты и технологии. 2013. № 11.

4. http://www.innovationsinsightmag.com/content/ kak-izmerit-shirokiy-ugol-segodnya

5. Intelligent ASICs for MEMS pressure and humidity sensors — http://fs8.formsite.com/medved44/ form15/index.html

6. 12 reasons to use PICOCAP in your MEMS application — http://www.Acam.de/fileadmin/ Bilder/MEMS/12-Reasons-for-PICOCAP.pdf

©я ©kit роса гасз@

127521, г. Москва,

12-й Проезд Марьиной Рощи, д.9, стр. 1 Официальный дистрибьютор ООО «Гапант Электронике» www.igalant.ru,www.acam-e.ru,[email protected] тел./факс: (495) 987-42-10, 978-19-62, 720-67-84

Преобразователи электрической ёмкости в цифровой код РСАР01, РСАР02, РСАРОЗ

Лучшие характеристики за счёт применения время-цифровых преобразователей

Сверхнизкое потребление тока — несколько микроампер Диапазон ёмкостей — от 0 фемтофарад до сотен нанофоарад Разрешение — 22 бит

Производительность — до 500 ООО преобразований в секунду

г**

i

А о ^ 1

Производитель Асат, Германия

Применение: влажность • давление • MEMS • ускорение • позиционирование • касание • углы • уровень • микрофоны

Продаётся на iGalant.ru