CC BY
125Программируемые формирователи сигналов мостовых датчиков
серии 2МЭ31хх от компании 2Мй
В статье дан обзор и приведены примеры применения микросхем для построения аналоговых и цифровых датчиков серии ZMD31xx, которые выпускает компания ZMD (Германия). Они предназначены для программируемой цифровой коррекции подключаемых к ним первичных мостовых сенсорных элементов и формирования выхода сигналов в соответствии с заданным протоколом. Применение формирователей сигнала от ZMD позволяет получить высокие метрологические характеристики датчиков с минимальными усилиями и затратами времени, средств и оборудования.
Михаил ВИНОГРАДОВ
Введение
Как известно, мостовые датчики, к которым относятся, например, широко распространенные пьезорезистивные датчики давления, магниторезистивные или ГМР-устрой-ства, часто поставляются их производителями в виде не усиленных и не скомпенсированных сенсорных элементов с мостовым выходным сигналом. Первичный сигнал нуждается в усилении, компенсации (температурной) и калибровке, причем это встроенные функции большинства современных датчиков. Кроме того, входная схема разрабатываемого устройства обычно жестко регламентирует применение какого-либо стандартного униполярного аналогового или цифрового интерфейса. Выполнение всех этих функций обеспечивают специализированные мостовые сигналообработчики — формирователи сигналов, к входам которых подключается первичный мостовой сенсор.
Микросхемы ZMD31xxx, которые производит немецкая компания ZMD (www.zmd.de),
представляют собой программируемые формирователи сигналов. Выполненные на основе комбинации современных аналоговых и цифровых технологий, они обеспечивают высокоточное преобразование радиометрического дифференциального сигнала мостового сенсорного элемента в стандартный аналоговый или цифровой интерфейс. Наличие внутреннего микропроцессора обеспечивает, посредством цифровых вычислений, точную регулировку чувствительности, компенсацию «нуля», линеаризацию и температурную компенсацию. Возможность проведения цифровой “one-shot” (за один проход) калибровки позволяет получить высочайшую точность измерений и требует минимальных усилий, соответственно, минимум оборудования и затрачиваемого времени. Микросхемы ZMD31xxx обеспечивают точность 0,15% (F.S.O.) в индустриальном и 0,25% (F.S.O.) в автомобильном температурном диапазоне.
Процедура калибровки достаточно проста. Она представляет собой проведение ряда из-
Таблица 1. Семейство программируемых микросхем 2МЭ31ххх для формирования сигналов мостовых датчиков
Наименование микросхемы Назначение
ZMD31010 Недорогой программируемый формирователь сигнала
ZMD31012 Два 1МР31012 в одном корпусе
ZMD31014 Формирователь сигналов с 12С и БР! выходом
ZMD31015 1МР31010 с добавленными функциями диагностики ограничения уровня выходного сигнала. Эффективен для автомобильных применений
ZMD31020 Формирователь сигналов датчика
ZMD31030 Формирователь сигналов Ш-интерфейсом
ZMD31035 Формирователь сигналов для автомобильных применений
ZMD31050 Многофункциональный формирователь сигналов. Эффективен для датчиков давления с токовым выходом
ZMD31150 Быстродействующий формирователь сигналов для автомобильных применений
ZMD21013 3-канальный сенсорный интерфейс. Эффективен для мобильных устройств
мерений в заранее определенных точках характеристики сенсора, вычисление калибровочных коэффициентов и подстройку программного обеспечения. После записи кали-
Таблица 2. Основные характеристики микросхем ZMD31xx
Наименование микросхемы Оптимизирован для сенсоров Входной диапазон, мВ/В АЦП, разрешение/ частота выборки Опции интерфейса аналог./ цифр. (разрешение ЦАП) Диапазон температуры, °C Напряжение питания, В Защита
2МЭ31010 (недорогой) пьезорезистивных 1,2-60 14 бит/до 1,0 кГц (0-1или 5) в ZACwire™ (11 бит DAC) -40...+150 2,7-5,5 (>5,5 В с внешним JFET-транзистором) нет
2МЭ31015 (недорогой, с функцией диагностики) пьезорезистивных <1-60 14 бит/до 1,0 кГц (0-1 или 5) в ZACwire™ (12 бит DAC) -40...+150 2,7-5,5 (> 5,5 В с внешним JFET-транзистором) нет
2МЭ31030 (для автомобильных применений) пьезорезистивных 20-90 12 бит/>100 Гц ШИМ/LIN -40...+125 8,0-18,0 - обратное напряжение - высокое напряжение - короткое замыкание
2МЭ31050 (многофункциональный) пьезорезистивных, толстопленочных керамических, магниторезистивных и др. 1-275 9-15 бит/до 3,9 кГц (0-5) или (0-10) В (4-20) мА ШИМ12х ALARM I2C &SPI& ZACwire™ (11 бит DAC) +40. 150 2,7-5,5 (> 5,5 В с внешним JFET-транзистором) нет
2МЭ31150 (быстрый, для автомобильных применений) пьезорезистивных, толстопленочных керамических, магниторезистивных и др. 1-275 13-16 бит/до 7,8 кГц ratiometnc (0-5 В) I2C & ZACwire™ (12 бит DAC) +40.150 4,5-5,5 - обратное напряжение - высокое напряжение - короткое замыкание
бровочных коэффициентов в EEPROM процедура калибровки закончена. Отсутствие итерационных шагов выгодно отличает данную методику калибровки от других и позволяет легко автоматизировать калибровочную процедуру.
Основные типы микросхем компании ZMD, предназначенных для цифровой калибровки и термокомпенсации значений выходного сигнала мостовых сенсоров, и их основные характеристики, приведены в таблицах 1 и 2.
ZMD31010 — преобразователь с функциями диагностики и ограничения значений выходного сигнала
Микросхема ZMD31010 — это CMOS интегральная схема, с помощью которой можно легко и точно калибровать резистивные мостовые сенсоры через EEPROM.
Для резистивных сенсоров возможна цифровая корректировка нуля, коэффициента усиления и температурная компенсация. Для температурных коэффициентов усиления и сдвига нуля, а также линейности моста возможна компенсация второго порядка. Микросхема имеет внутренний датчик температуры.
Выходной сигнал снимается с вывода Signal. В зависимости от программирования, он может быть абсолютный (от 0 до 1 В), ратиоме-трический (10-90% напряжения питания) или цифровой (последовательный ZACwire).
Достоинством микросхемы является то, что ее программирование осуществляется через тот же вывод, с которого снимается и выходной сигнал — вывод Sig. Однопроводной интерфейс позволяет сократить количество внешних цепей, требуемых для подключения микросхемы к внешним устройствам.
Микросхема работает в широком температурном диапазоне от -40 до +150 °С и отличается быстрым временем ответа — порядка 1 мс.
Другие преимущества ZMD31010: низкий ток потребления порядка 250 мкА для батарейных применений, 14-битовое разрешение выходного цифрового сигнала по давлению, возможность вывода сигнала, как по давлению, так и по температуре в цифровом виде.
Пример построения схемы на базе микросхемы ZMD31010 и ее функциональная блок-схема изображена на рис. 1.
ZMD31012 — двойной формирователь сигналов
Микросхема представляет собой два чипа ZMD31010 в одном корпусе. Она имеет те же характеристики, что ZMD31010, но позволяет подключать два мостовых датчика. Наличие двух независимых каналов измерения дает возможность эффективно использовать ZMD31012 в схемах измерения дифферен-
циального давления, в датчиках расхода и приложениях, требующих наличия резервных каналов. Пример применения показан на рис. 2.
2МР31014 — формирователь сигналов с 12С- и БР!-выходом
Микросхема ZMD31014 оптимизирована для устройств, построенных на базе микро-
процессоров. Она сочетает высокую точность усиления с аналогово-цифровым преобразованием дифференциального входного сигнала. Идеально подходит для всех типов микроконтроллеров, используемых в портативном оборудовании, таких как бытовая техника, беспроводные датчики давления, медицинское оборудование, а также в устройствах, предназначенных для температурных измерений.
(Сенсор 1
Сенсор 2
ZMD31012
]____Г +5,5-30 В
TfoMBF идЬп 4392
Выход 1
Выход 2
d= 0,1 мкФ
-□ Общий
Рис. 2. Пример применения микросхемы ZMD31012
Рис. 4. ІМ031015: а) пример применения (схема с абсолютным аналоговым выходом с температурной компенсацией через внутренний датчик температуры и внешним регулятором напряжения на базе ^ЕТ-транзистора); б) функциональная блок-схема
Для получения высокой точности используется 14-битовый АЦП с низким уровнем шумов. Это обеспечивает точность в четыре раза лучше, чем 12-битовые АЦП, применяемые в большинстве приборов этого класса. Микросхема обеспечивает коррекцию ошибок второго порядка для температуры, сдвига и нелинейности. В ZMD31014 снижено потребление мощности, в рабочем активном режиме потребление — порядка 150 мкА, в неактивном режиме — порядка 2 мкА, что позволяет эффективно использовать ее в устройствах с батарейным питанием.
Важно отметить, что в ZMD31014 не включены какие-либо дополнительные функции, расширяющие диапазон ее применения. Она подразумевает однозначность использования, что делает ее идеальным решением для устройств с большим объемом производства.
ZMD31014 поддерживает два наиболее широко используемых интерфейса — 12С и ЭРГ. Эти интерфейсы поддерживают адресацию, что позволяет легко создавать мультисенсорные системы, не меняя внешней схемотехники. В ZMD31014 включены функции диагностики (контроль обрыва и короткого замыкания цепей моста). Дополнительно ZMD31014 имеет 32-битное программируемое поле для хранения пользовательского ГО.
Микросхема работает в широком температурном диапазоне (—40___+ 125 °С) и обеспе-
чивает точность 0,1% (Б.Б.О.) в диапазоне 0_70 °С и 0,25% (КБ.О.) в полном температурном диапазоне. На рис. 3 показаны пример применения и блок-схема ZMD31014.
2МР31015 — преобразователь с функциями диагностики и ограничения значений выходного сигнала
В отличие от ZMD31010, микросхема ZMD31015 имеет дополнительные функции:
• Более высокий коэффициент усиления (96 вместо 48) позволяет калибровать сенсоры с входным диапазоном меньше чем 1 мВ/В.
• Дополнительные диагностические функции (контроль напряжения, контроль цепей моста, сигнатура ЕЕРИОМ и др.).
• Возможность внешних температурных измерений.
• 12-разрядный ЦАП (вместо11-разрядного).
• 3 ЕЕРИОМ регистра для пользовательских целей.
• Защиту выхода от короткого замыкания.
• Программирование уровней ограничения выходного аналогового/цифрового сигнала. Микросхема по цоколевке совместима
с ZMD31010 (кроме вывода для внешней температуры). Для тестирования можно использовать те же аппаратные средства, но с другим программным обеспечением. Пример применения и блок-схема микросхемы ZMD31015 показаны на рис. 4.
и
Корректирующая
Вычисление формула
коррекции S = f(sr,T,C1...Cn)
Рис. 5. ZMD31020: а) пример применения микросхемы; б) функциональная блок-схема
ZMD31020 — формирователь сигналов датчика
Особенности микросхемы ZMD31020:
• Минимальный диапазон входного сигнала 20 мВ/В.
• Коэффициент усиления PGA от 15,66 до 42.
• 12-разрядный АЦП.
• Внутренний или внешний температурный диод.
• 10-разрядный ЦАП.
• Аппроксимация второго порядка по 7 точкам.
• Выходной сигнал: аналоговый ратиомет-рический (от 0 до 5 В) или цифровой I2C (12-битовое разрешение).
Микросхема выпускается для коммерческого, индустриального или автомобильного применений. Ее используют в автомобильных системах управления давлением холодильных установок, в датчиках давления в газовых баллонах и системах подачи воздуха. Пример применения и блок-схема показаны на рис. 5.
ZMD31030 — преобразователь с LIN-интерфейсом
Микросхема ZMD31030 обеспечивает выходной сигнал в формате ШИМ или LIN-интерфейса. Она оптимизирована для автомо-
бильных применений, имеет защиту выходных цепей и отличную электромагнитную совместимость. Применима для всех типов пьезорезистивных сенсоров. Есть возможность выбора источника температурной компенсации, через внутренний или внешний диод. Цифровая калибровка осуществляется через LIN-интерфейс.
Примеры применения микросхемы ZMD31030:
• определение низкого или повышенного давления в топливных баках;
• МАР-сенсоры;
• управление давлением в гидравлических резервуарах;
• АВЭ;
• усилители руля;
• управление двигателем.
Блок-схема ZMD31030 представлена на рис. 6.
2М031035 — формирователь сигналов для автомобильных применений
Микросхема оптимизирована для автомобильных применений. Выходной сигнал или аналоговый (0-5 В), или однопроводной интерфейс (совместимый с LIN-протоколом). Пример применения показан на рис. 7.
2М031050 —
многофункциональный
преобразователь
Микросхема работает практически с любыми типами сенсоров (например, пьезорезистивными, керамическими, сенсорами, выполненными на стальной мембране, резистивными и магниторезистивными сенсорными элементами). Микросхема может обрабатывать сигнал отдельного температурного сенсора. Двунаправленный интерфейс (12С, ЭР1, ZACwire) можно использовать для простого управления от компьютера процедурой калибровки.
Микросхема специально спроектирована для применения с датчиками давления. Но она может применяться и с датчиками силы, момента, ускорения, угла, положения и другими.
ZMD31050 обладает уникальными характеристиками:
• Возможность выбора источника температурной компенсации: мостовой сенсор, внутренний диод, внешний диод или термистор.
• Выбор типа питания моста: ратиометриче-ским напряжением, постоянным напряжением или постоянным током.
• Возможность проведения коррекции нелинейности 3-го порядка.
Аналоговое напряжение
Цифровое нал ряже ни е
-
блок блок
Блок управления мощностью и цепи защиты
I/O LIN контроллер LIN передатчик
IF Тестовый интерфейс (IF)
Цифровая
ZMD31030
VBAT
Ч>
X
!!
GND
О
Рис. 6. Функциональная блок-схема ZMD31030
Общий Выход 1)пит
OWI +4,5-5,5 В
Рис. 7. Пример применения ZMD31035
Широчайший диапазон опций выходного сигнала: напряжение (0-5 В), ток (4-20 мА), ШИМ, ЭР1, ZACwire (однопроводной), релейный.
Программно выбираемое разрешение АЦП (до 15 бит) при частоте выборки до 3,9 кГц. Встроенные функции диагностики.
2МР31150 — быстродействующий преобразователь сигнала для автомобильных применений
Оптимизированная для быстро изменяющейся динамики автомобильных систем управления, ZMD31150 может найти примене-
ние во многих системах автомобиля, например, в топливных инжекторах, ABS, рулевом приводе с усилителем, системах кондиционирования, в системе управления подушкой безопасности. ZMD31150 в 2,7 раза быстрее, чем другие чипы, при аналогичной точности диагностики.
Микросхема обеспечивает высокую точность усиления и необходимую цифровую коррекцию сигнала мостового сенсора. Функциональная схема включает аналоговый блок (analog front-end), содержащий программируемый усилитель (PGA), мультиплексор, АЦП, а также ROM, EEPROM, микроконтроллер, ЦАП, выходной буфер для аналогового и цифрового интерфейса.
ZMD31150 имеет коэффициент усиления до 420, что позволяет подключать к ней сенсоры с чувствительностью 1 мВ/В. Частота выборки 16-разрядного АЦП составляет 7,8 кГц. Калибровка микросхемы осуществляется через последовательный интерфейс.
Микросхема имеет встроенные функции диагностики. Отличается высокой надежностью за счет защиты выхода от короткого замыкания, обратного напряжения и перенапряжения до 33 В.
ипит = 2,7-5,5 В VDDA = 5 В
IR TEMP
Рис. 8. ІМ031050: а) Схема с ратиометрическим выходом по напряжению с температурной компенсацией через внешний диод;
б) двухпроводная схема с токовым выходом 4—20 мА (5—40 В) с внешним ^ЕТ-транзистором и температурной компенсацией через внутренний диод;
в) функциональная схема ІМ031050
VDD
Сенсорный модуль ~~Р і ’ X
ZMD OUT
( — 31150 _L ' X
GND
1
Рис. 9. Пример применения в составе сенсорного модуля ZMD31G5G
Выходной сигнал может быть сконфигурирован как аналоговый выход (напряжение с 12-битовым разрешением) или как цифровой (ZACwire или 12С).
Достоинство микросхемы — и ее отличные параметры электромагнитной совместимости
Пример применения показан на рис. 9.
2МР21013 — многоканальный сенсорный интерфейс
2МЭ21013 — первый член семейства многоканальных микросхем сенсорных интерфейсов (МШк). Данное семейство микросхем сфокусировано для работы с сенсорами в устройствах с батарейным питанием, в основном в мобильных электронных устройствах. Эти микросхемы усиливают и оцифровывают сигналы напряжения присоединенных сенсоров. Микросхема 2МБ21013 может гибко адаптироваться почти к любым сенсорам резистивного типа. Она оптимизирована для (резистивных) сенсоров мостового типа. Стандартная микросхема позволяет подключить до трех сенсоров.
2МБ21013 содержит усилитель с программируемым коэффициентом усиления, 16-разрядный АЦП и схему энергосбережения. Разрешение и время аналого-цифровых преобразований, входной диапазон и чувствительность, так же как и режим измерения, программируются. Измеренные величины выводятся в цифровом виде через стандартный ЭР1 последовательный интерфейс.
При наличии высокого уровня интеграции и продвинутой схемотехники энергосбережения применение микросхем 2МБ21013 может существенно уменьшить стоимость материалов и потребляемую мощность. Средняя ультранизкая мощность потребления составляет только 25-30 мкВт в течение рабочего цикла и меньше чем 1 мкВт в режиме бездействия (ожидания). Микросхема 2МБ21013 поддерживает режим измерения температуры и автоподстройку нуля, которая позволяет управлять долговременной стабильностью сдвига нуля для целей компенсации и коррекции.
Другие характеристики микросхемы 2МБ21013: альтернативный ИС-генератор,
широкий диапазон питающего напряжения (2,5-5,5 В) и интегрированная 16x8 бит ЕЕРИОМ (для непрерывного хранения конфигурационных данных).
Примеры применения:
• измерение ускорений;
• компас;
• измерение напряжений (анализ дифференциальных давлений);
• альтиметры и барометры;
• измерение скорости и потока;
• измерение температуры.
Основные преимущества:
• Экстремально долгое время жизни батареи при токе <100 нА в режиме бездействия и 25-30 мкВт средней мощности потребления при работе.
• Экономия пространства за счет наличия в одной микросхеме трех входов для подключения мостовых датчика и усилителя с высоким коэффициентом усиления.
• Высокий коэффициент усиления входных сигналов позволяет использовать широкий диапазон высокочувствительных сенсорных элементов.
Оценочные средства тестирования
Для всех типов микросхем существуют средства тестирования или оценочные наборы.
Оценочный набор предназначен для первоначального изучения и экспериментирования потребителем микросхем серии 2МБ31хх. Дружественный графический интерфейс спе-
циализированного ПО позволяет пользователю управлять такими функциями, как:
• конфигурирование микросхемы, включающее подстройку коэффициента усиления, сдвиг нуля, выбор источника температурной компенсации, разрешения, частоты выборки, опции выхода, режим измерения, уровни ограничения и т. д.;
• чтение и программирование EEPROM и CMC (калибровочный микроконтроллер);
• отображение некалиброванных и калиброванных сигналов мостового и температурного сенсоров;
• эмуляция реального сенсорного элемента с помощью платы Sensor Dummy;
• полуавтоматическая калибровка проводимых измерений, вычисление калибровочных коэффициентов и программирование EEPROM.
На рис. 11 показан оценочный набор для ZMD31050 (такие же наборы возможны и для ZMD31010/31015/31020/31030/31035/31150). В комплект поставки также входит тестовая плата (SSC Test Board), USB-кабель, 5 образцов микросхем и диск с программным обеспечением.
К сожалению, в оценочном наборе для ZMD31050 нет возможности скоммутировать микросхему для работы с токовым выходом. Для этого пользователю предоставляется тестовая плата (SSC Test Board), на которой он может смонтировать свое устройство и подключить его к оценочному набору.
Заключение
В статье дан краткий обзор микросхем серии 2МЭ31ххх, которые производит компания 2МБ (Германия). Они обеспечивают высокоточное усиление, калибровку и термокомпенсацию выходного сигнала мостового датчика. Применение данных микросхем в схемах датчиков позволит увеличить эффективность разработок, повысить метрологические характеристики проектируемых уст-
ройств, упростить схемотехнику и повысить надежность. Проведение цифровой и без-итерационной калибровки позволяет легко автоматизировать процесс серийного производства датчиков.
Наличие в семействе микросхем с различными характеристиками дает возможность подобрать нужную микросхему для соответствующего применения. Особенно эффективно применение микросхем 2МБ в автомобильной промышленности. ■
Контактные клеммы для внешнего сенсора
SSC Communication Board SSC Board с ZMD31050 SSC Sensor Dummy
(для ZMD31010, ZMD31015 (заменяется на соответствующую (для ZMD31010, ZMD31015 ZMD31020, ZMD31030, для ZMD31010, ZMD31015 ZMD31020, ZMD31030,
ZMD31035 и ZMD31150) ZMD31020, ZMD31030, ZMD31035 и ZMD31150)
ZMD31035 и ZMD31150)
Рис. 11. Оценочный набор для ZMD31G5G
