Dijital-analog karışık çıkışlı bir ivmeölçer sisteminin tasarımı ve doğrulanması
Liu Xiaohui, Liu Kecheng
(Bilişim İnşaat ve Yönetim Merkezi, Nanyang Teknoloji Enstitüsü, Nanyang, Henan 473004)
Kullanıcıların farklı uygulama gereksinimlerini karşılamak için, karışık dijital ve analog çıkışlı bir ivmeölçer sistemi tasarlanmıştır. Çevresel kontrol sinyalleri aracılığıyla analog kapalı döngü çıkışı veya dijital kapalı döngü çıkışı seçin. Sistem testi, ivmeölçerin ± 3 g aralığına sahip olduğunu, analog çıkış bant genişliğinin 2 kHz'den büyük olduğunu ve gürültü yoğunluğunun -100 dBV / Hz'den az olduğunu; dijital çıkış bant genişliğinin 1400 Hz'den büyük olduğunu ve gürültü yoğunluğunun 2 g / Hz'den az olduğunu göstermektedir.
Dijital-analog karışık çıkış; kapalı döngü; ivmeölçer; gürültü yoğunluğu
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN79
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.166586
Çince alıntı biçimi: Liu Xiaohui, Liu Kecheng.Dijital-analog karışık çıkışlı bir ivmeölçer sisteminin tasarımı ve doğrulaması. Application of Electronic Technology, 2017, 43 (11): 31-33.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Xiaohui, Liu Kecheng.Karışık analog ve dijital çıkışlı bir ivmeölçer sisteminin tasarımı ve doğrulaması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (11): 31-33.
0 Önsöz
Yüksek performanslı mikromekanik sistem (MEMS) ivmeölçerler, çeşitli tüketici pazarlarında ve eylemsiz navigasyon ve rehberlik, GPS destekli navigasyon, pan / tilt kontrolü ve platform stabilitesi gibi askeri alanlarda kullanılır. Son yıllarda, düşük gürültü, düşük güç tüketimi, düşük maliyet ve mikromekanik ivmeölçerlerin yüksek hassasiyeti nedeniyle, yüksek hassasiyetli kapasitif ivmeölçerler giderek daha popüler hale geldi.
Mikro işleme seviyesi iyileşmeye devam etse de hassas yapıların işlenmesi sırasında oluşan hataları ortadan kaldıramaz. Mikro işleme sürecinin kararsızlığından kaynaklanan hatayı olabildiğince azaltmak için, aynı çipin mümkün olduğunca çok sayıda ayarlanabilir araç sağlayabileceği, böylece hassas yapı işlem sapmasına bağlı olarak parametre sapmasına neden olduğunda sonraki harici parametreler umulmaktadır. Telafi etmek veya düzeltmek için ayarlayın; aynı zamanda, farklı uygulama senaryolarına ve müşteri ihtiyaçlarına uyum sağlamak için, aynı çipin çok işlevli çıkışa sahip olması gerekir. Yüksek hassasiyetli kapasitif mikro işlenmiş ivmeölçerler için, sistemin analog çıkışı ve dijital çıkış seçimi, farklı müşteri ihtiyaçlarının karşılanması için çevresel cihaz kontrolü ile gerçekleştirilebilir. Analog çıkış ve dijital çıkış fonksiyonlarının kendi avantajları ve dezavantajları vardır: açık döngü analog çıkışı ve kapalı döngü analog çıkışı karşılaştırarak, hassas yapının parametre özellikleri doğrulanabilir.Aynı zamanda, analog çıkış, büyük ölçekli dijitale ihtiyaç duymadan basit filtreleme yoluyla yüksek hassasiyetli çıkış elde edebilir Filtre, çip alanını kaplar. Dijital çıkış fonksiyonunu sağlayabilen mikromekanik ivmeölçer çipi, analog çıkışı örneklemek için yüksek hassasiyetli AD'ye ihtiyaç duymaz, bu da doğal olarak genel güç tüketimini azaltır ve sistem doğruluğunu artırır. Aynı zamanda, dijital mikromekanik ivmeölçer çipi, hassas yapıların parametre hatalarına nispeten duyarsızdır.
Dijital-analog karışık çıkışlı mikro-mekanik ivmeölçer çipini gerçekleştirmek için, bu makale genel bir ön aşama şarj amplifikatörü, çıkış ve geri besleme kontrolü ve zamanlama kontrol devreleri tasarlar ve analog çıkış yolu için bir PID devresi, alçak geçiren filtre vb. Çıkış yolu, bir entegratör devresi ve tek bitlik AD ve DA devreleri ile tasarlanmıştır. Tasarım nihayet bant çıkarma deneylerinin sonuçlarıyla doğrulandı.
1 Devre tasarımı
Bu tasarımın blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekil, analog duyarlı yapının CS1 ve CS2 diferansiyel kapasitör çiftini ve S1 ~ S4 kontrol anahtarlarını, düşük gürültülü şarj amplifikatör devresini A1 ve kontrol anahtarları S5 ~ S6, örnekleme ve tutma devresi ve kontrol anahtarını içerir. (CC, CH, S7 ~ S8, A2), çıkış seçim kontrolü, entegratör, 1 bit AD ve DA, PID ünitesi, alçak geçiren filtre (LPF), tampon A3, geri besleme kontrolü ve S9 anahtarı. Hassas yapı, elektriksel olarak bağlantı teli aracılığıyla çipe bağlanır.S1 ~ S4 anahtarları, kontrol saatinin eylemi altında sinyal modülasyonunu gerçekleştirir.Düşük gürültülü şarj amplifikatörü devresi A1 ve örnekleme ve tutma devresi, CC kapasitör, S7 anahtarı ve anahtar aracılığıyla sinyal demodülasyonunu birlikte gerçekleştirir. S8'in ilişkili çift örnekleme teknolojisi, düşük frekanslı gürültünün ortadan kaldırılmasını gerçekleştirir. Çıkış kontrol devresi, CMOS anahtarları aracılığıyla dijital ve analog kanalları seçer. Dijital yol üzerindeki sinyal, dijital çıkışı gerçekleştirmek için iki aşamalı bir entegratör devresinden ve 1 bit A / D'den geçer.Entegratörün oluşturduğu döngü, hassas yapı ve 1 bit D / A geri besleme, dördüncü dereceden gürültü şekillendirme özelliğine sahiptir. Analog yoldaki PID (Orantılı-İntegral-Türev) denetleyici, döngü kazancını ve fazını ayarlamak, sistemin kararlılığını ayarlamak ve sistemin adaptasyonunu artırmak için çip dışı direnç ve kapasitans seçimi yoluyla farklı hassas yapılar için parametreleri yapılandırmak için kullanılır. Seks ve esneklik. PID çıkışı, düşük geçişli bir filtreden geçtikten sonra yüksek hassasiyetli bir analog sinyal verir. Takipçi devreleri A2 ve A3, sinyal izolasyonunu gerçekleştirir ve sürücü kapasitesini geliştirir.
Şekil 2, ön aşama şarj amplifikatörü ve entegratör devresinin işlemsel amplifikatör şematik diyagramıdır. Tek aşamalı katlanmış cascode op amp, iki aşamalı op amplifikatörden daha az güç tüketir ve 70 dB'den fazla kazanç, sistemin tasarım gereksinimlerini de karşılayabilir. Anahtarlamalı kapasitör ortak mod geri besleme yapısının kullanılması, güç tüketimini daha da azaltabilir. Son aşama entegratör devresinin gürültüsü önceki aşama tarafından şekillendirilebildiğinden, örnekleme kapasitör değerinin çok büyük olmasına gerek yoktur, bu nedenle işlemsel yükselticinin yükü azaltılabilir ve akım tüketimi azaltılabilir. Follower ve PID'deki işlemsel amplifikatör, nispeten büyük bir kazanç gerektirir, bu nedenle, sistemin doğrusallığını etkili bir şekilde iyileştirebilen ve distorsiyonu azaltabilen daha büyük bir DC kazancı sağlamak için iki aşamalı bir katlanmış ardışık kod yapısı kullanılır. Aynı zamanda, ikinci aşama çıktısının salınım genliği, sistemin daha geniş çıktı dinamik aralığını karşılayabilen nispeten büyüktür. Bu makalede tasarlanan iki aşamalı işlemsel yükselticinin DC kazancı 100 dB'den büyüktür ve bant genişliği yaklaşık 4 MHz'dir.
Şekil 3'te gösterilen PID, sistem için ek elektrik sönümleme sağlayabilir, özellikle hassas yapının sönümleme katsayısı düşük olduğunda, elektrik sisteminin kararlılığını korumak için elektriksel sönümleme sağlamak için PID gereklidir. Teorik olarak, PID, KD = -1 / R2C2, KP = -R3 / R2 olan sistemin sönümleme oranını telafi etmek için kapalı döngü transfer fonksiyonuna -KD / KP'de bir sıfır noktası ekler.
Entegratörün çıkış sinyali çok fazla sallanmadığından, entegratör devresindeki işlemsel amplifikatör ayrıca genel güç tüketimini etkili bir şekilde azaltabilen tek aşamalı katlanmış bir kas kod yapısını benimser. Entegratörün gürültüsü önceki aşama tarafından şekillendirilebildiğinden, kapasitans oranı değişmeden kaldığı sürece, örnekleme kapasitansı ve entegrasyon kapasitansı eşit olarak ölçeklenebilir. 1 bitlik AD için basit bir ifadeyle, karşılaştırıcı mandallama ile gerçekleştirilir. Bu tasarımın örnekleme frekansı 250 kHz'dir ve karşılaştırıcının hız gereksinimi yüksek değildir Dikkat edilmesi gereken, karşılaştırıcının doğruluğudur.
2 test
Çip PAD, silikon alüminyum tel bağlama ile alt tabakaya elektriksel olarak bağlanır. Çip dışı kristal osilatör, sırasıyla ön aşama şarj algılama parçası ve arka aşama entegratörü için saatler sağlamak üzere çip üzerindeki frekansı bölmek için kullanılır. Güç kaynağı voltajı 3,3 V ve referans voltajı ± 1,65 V'tur. Tasarım zorluğunu azaltmak için hassas yapı, atmosferik paketlemenin sandviç yapısını benimser ve teorik mekanik gürültü 1 g / Hz'den azdır. Vakumsuz paket sayesinde, dijital çıkış yolunda faz telafisi için faz kompansatör kullanmaya gerek yoktur. Dış çevresel müdahalenin test sonuçları üzerindeki etkisini en aza indirmek için, ölçüm sistemi şok absorpsiyon işlemine tabi tutulur. Dijital kanal çıkışı, anahtar seçimi ile geçerlidir, ivmeölçer sisteminin dijital çıkış kod akışı bir mantık analizörü ile toplanır ve MATLAB standart programında 262144 nokta veri işlenir.Dijital çıkış spektrumu Şekil 4'te gösterilmiştir. Şok emme işleminden sonraki düşük frekanslı kısım nispeten düzdür, bu da şok emme sisteminin çevresel gürültüyü daha iyi filtreleme etkisine sahip olduğunu kanıtlar. Gürültü tabanı seviyesi, uygulama bant genişliği sınırı olarak 3 dB artırılırsa, uygulama bant genişliği kabaca Şekil 4'ten 1.4 kHz olarak tahmin edilebilir Aslında, sistemin sinyal iletim eğrisinden teorik uygulama bant genişliği 1.4 kHz'den çok daha büyüktür.
Genel yapı üzerinde ± 1 g çevirme deneyi gerçekleştirildi ve sistemin duyarlılığı yaklaşık 1.65 V / g olarak hesaplandı. Şekil 4'teki frekans spektrumunun normalleştirilmiş değerini gürültü yoğunluğuna dönüştürün ve elde edilen dijital çıkış gürültüsü spektral yoğunluğu Şekil 5'te gösterilmektedir. Aşama sonrası devrenin niceleme gürültüsü ve op amp gürültüsü yeterince gürültü şeklinde şekillendirilmiştir Düşük frekanslardaki gürültü yoğunluğu 2 g / Hz'den azdır ve bu, esas olarak, referans voltajı ve anahtarlama termal gürültü olabilen ön-aşama şarj amplifikatörü tarafından sunulan gürültü ile sınırlıdır. 10 Hz'nin altındaki düşük frekanslardaki gürültü, çevresel gürültü ile ortaya çıkması gereken 2 g / Hz'den yüksektir. Bu sistem, çevresel gürültülerin çoğunu filtreleyebilen şok absorpsiyon işlemini kullanmasına rağmen, daha düşük frekanslarda çevresel gürültünün ortadan kaldırılması, şok absorpsiyon sisteminin daha fazla optimizasyonunu gerektirir. Analog çıkış bant genişliği 2 kHz'den büyüktür ve çıkış gürültü yoğunluğu spektrumu Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekildeki sivri uçlar 50 Hz güç frekansı paraziti ve düşük frekanslı çevresel parazittir ve çıkış gürültüsü yaklaşık -100 dBV'dir. Hassas yapıya ve güç kaynağı voltajına göre sistemin menzilinin yaklaşık ± 3 g olduğu tahmin edilmektedir.
3 Sonuç
Farklı uygulama gereksinimlerine göre, bu makale dijital-analog karışık çıkışlı bir mikromekanik ivmeölçer sistemi tasarlar.Test sonuçları, dijital çıkışın düşük frekansındaki gürültü yoğunluğunun 2 g / Hz'den az olduğunu, bant genişliğinin 1.4 kHz'den büyük olduğunu ve analog çıkış gürültüsünün -100 dBV'den az olduğunu göstermektedir. , Bant genişliği 2 kHz'den büyüktür, tasarımın doğruluğu test edilerek doğrulanmıştır.
Referanslar
KULAH H, CHAE J, YAZDI N, ve diğerleri. Bir delta-sigma kapasitif mikro ivmeölçerin gürültü analizi ve karakterizasyonu IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006, 41 (2): 352-361.
ALIPARAST P, KOOZEHKANANI Z D.A akıllı görüntü sensörleri için standart CMOS işleminde yüksek hassasiyetli sabitlenmiş PD'ye sahip mevcut mod aktif piksel Microelectronics Journal, 2013, 44: 1208-1214.
Lu Bingjun. Üst düzey SIGMA DELTA mikro ivmeölçer arayüzü ASIC yongası üzerine araştırma Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012: 107-114.
WU J F, CARLEY L R. Yüksek Q mikromekanik ivmeölçerler ve darbe yoğunluğu modüle edilmiş kuvvet geri beslemeli elektromekanik modülasyon IEEE Trans.Circuits Syst.I, Reg.Papers, 2006, 53 (2): 274-287.
AALTONEN L, HALONEN K. NEA 4g ve bant genişliği 300 Hz olan mikro işlenmiş kapasitif ivmeölçer için sürekli zaman arayüzü.Sensör Aktüatörleri A: Phys., 2009, 154 (1): 46-56.
XU HL, YIN L, LIU X WA kapalı döngü arabirimi, 200 ng / Hz giriş gürültü yoğunluğuna sahip yüksek Q mikromekanik kapasitif ivmeölçer için IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2015, 50 (9): 101-2112 .
Du Wenhe, Sheng Dapeng, Wang Ting. Bir yüksek Q yüksek dereceli ivmeölçer arayüz devresi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2014, 40 (12).
