Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №4

Программируемые формирователи сигналов мостовых датчиков серии ZMD31xx от компании ZMD

Виноградов Михаил


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.

Введение

Как известно, мостовые датчики, к которым относятся, например, широко распространенные пьезорезистивные датчики давления, магниторезистивные или ГМР-устройства, 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 измерений в заранее определенных точках характеристики сенсора, вычисление калибровочных коэффициентов и подстройку программного обеспечения. После записи калибровочных 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.

Таблица 1. Семейство программируемых микросхем ZMD31xxx для формирования сигналов мостовых датчиков
Семейство программируемых микросхем ZMD31xxx для формирования сигналов мостовых датчиков
Таблица 2. Основные характеристики микросхем ZMD31xx
Основные характеристики микросхем ZMD31xx

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), ратиометрический (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.

ZMD31010

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 дифференциального давления, в датчиках расхода и приложениях, требующих наличия резервных каналов. Пример применения показан на рис. 2.

Пример применения микросхемы ZMD31012

ZMD31014 — формирователь сигналов с I2C- и SPI-выходом

Микросхема ZMD31014 оптимизирована для устройств, построенных на базе микропроцессоров. 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.

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 — I2C и SPI. 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 ID.

Микросхема работает в широком температурном диапазоне (–40…+125 °C) и обеспечивает точность 0,1% (F.S.O.) в диапазоне 0…70 °C и 0,25% (F.S.O.) в полном температурном диапазоне. На рис. 3 показаны пример применения и блок-схема ZMD31014.

ZMD31014

ZMD31015 — 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 EEPROM и др.).
  • Возможность внешних температурных измерений.
  • 12-разрядный ЦАП (вместо11-разрядного).
  • 3 EEPROM 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.

ZMD31015

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 ратиометрический (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.

ZMD31020

ZMD31030 — преобразователь с LIN-интерфейсом

Микросхема ZMD31030 обеспечивает выходной сигнал в формате ШИМ или LIN-интерфейса. Она оптимизирована для автомобильных 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;
  • MAP-сенсоры;
  • управление давлением в гидравлических резервуарах;
  • ABS;
  • усилители руля;
  • управление двигателем.

Блок-схема ZMD31030 представлена на рис. 6.

Функциональная блок-схема ZMD31030

ZMD31035 — 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.

Пример применения ZMD31035

ZMD31050 — многофункциональный преобразователь

Микросхема работает практически слюбыми типами сенсоров (например, пьезорезистивными, керамическими, сенсорами, выполненными на стальной мембране, резистивными и магниторезистивными сенсорными элементами). Микросхема может обрабатывать сигнал отдельного температурного сенсора. Двунаправленный интерфейс (I2C, SPI, 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: ратиометрическим напряжением, постоянным напряжением или постоянным током.
  • Возможность проведения коррекции нелинейности 3-го порядка.
  • Широчайший диапазон опций выходного сигнала: напряжение (0–5 В), ток (4–20 мА), ШИМ, SPI, ZACwire (однопроводной), релейный.
  • Программно выбираемое разрешение АЦП (до 15 бит) при частоте выборки до 3,9 кГц.
  • Встроенные функции диагностики.

ZMD31150 — быстродействующий преобразователь сигнала для автомобильных применений

Оптимизированная для быстро изменяющейся динамики автомобильных систем управления, ZMD31150 может найти применение 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.

Выходной сигнал может быть сконфигурирован как аналоговый выход (напряжение с 12-битовым разрешением) или как цифровой (ZACwire или I2C).

Достоинство микросхемы — и ее отличные параметры электромагнитной совместимости.

Пример применения показан на рис. 9.

ZMD31050
Пример применения в составе сенсорного модуля ZMD31050

ZMD21013 — многоканальный сенсорный интерфейс

ZMD21013 — первый член семейства многоканальных микросхем сенсорных интерфейсов (MUSic). 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 ZMD21013 может гибко адаптироваться почти к любым сенсорам резистивного типа. Она оптимизирована для (резистивных) сенсоров мостового типа. Стандартная микросхема позволяет подключить до трех сенсоров.

ZMD21013 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 SPI последовательный интерфейс.

При наличии высокого уровня интеграции и продвинутой схемотехники энергосбережения применение микросхем ZMD21013 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 ZMD21013 поддерживает режим измерения температуры и автоподстройку нуля, которая позволяет управлять долговременной стабильностью сдвига нуля для целей компенсации и коррекции.

Другие характеристики микросхемы ZMD21013: альтернативный RC-генератор, широкий диапазон питающего напряжения (2,5–5,5 В) и интегрированная 16×8 бит EEPROM (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.
ZMD21013

Оценочные средства тестирования

Для всех типов микросхем существуют средства тестирования или оценочные наборы.

Оценочный набор предназначен для первоначального изучения и экспериментирования потребителем микросхем серии ZMD31xx. Дружественный графический интерфейс специализированного 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.

Оценочный набор для ZMD31050

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 ZMD31xxx, которые производит компания ZMD (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 устройств, упростить схемотехнику и повысить надежность. Проведение цифровой и безитерационной 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 ZMD в автомобильной промышленности.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке