Новые микросхемы компании Acam PS09 ( серия PICOSTRAIN®) повышают не только производительность и качество преобразования при работе с пьезорезисторными датчиками, но и значительно упрощают калибровку датчиков при производстве.
Технологии PICOSTRAIN® компании Acam обеспечиваются преобразователями электрическое сопротивление-код, использующими метод измерения отношений временных интервалов. Эти преобразователи уже применяются для тензометрических приложений, таких как электронные весы, в данной статье описывается их применение в пьезорезисторных датчиках по сравнению с существующими преобразователями для пьезорезисторных датчиков!!!
Использование продукции PICOSTRAIN® с пьезорезисторными датчиками.
1. Общие тезисы.
Технологии PICOSTRAIN® компании Acam обеспечиваются преобразователями электрическое сопротивление код,
использующими метод измерения отношений временных интервалов. Эти преобразователи уже применяются для
тензометрических приложений, таких как электронные весы, в данной статье описывается их применение в
пьезорезисторных датчиках.
По сравнению с существующими преобразователями для пьезорезисторных датчиков метод PICOSTRAIN® имеет ряд
преимуществ, при этом, например, даже механика процесса температурной настройки датчика может быть упрощена.
В этом документе вам предлагается общий обзор использования PICOSTRAIN® технологии с пьезорезисторными
датчиками и подчёркнуты точки отличия и преимущества по сравнению с обычными электронными схемами.
1.1 Пьезорезисторные датчики
Пьезорезисторные датчики обычно имеют высокое сопротивление (от 5 Ком до 10 Ком), обладают высокой
чувствительностью и электрически соединяются по схеме моста Уинстона. Сам чувствительный элемент представляет
собой полупроводник, который изменяет своё сопротивление вследствие приложенной механической нагрузки.
Базовая архитектура выглядит следующим образом:
Пьезорезисторный элемент располагается на подложке, которая обычно монтируется на стекле.
В пьезорезисторном датчике давления располагаются несколько датчиков давления на одной подложке,
которые впоследствии электрически соединяются в определённую схему, то есть типовой мост Уитстона
выглядит в соответствие со следующей схемой.
Технология PICOSTRAIN® позволяет использовать конфигурацию моста Уинстона.Как альтернатива может быть также использовано соединение стандартных датчиков как два полумоста ( имеется ввиду, что не надо соединять +IN и –IN), что даёт на 0,6 бит выше разрешение.
2. Преимущества технологии PICOSTRAIN®
Микросхема Acam PS09 с технологией PICOSTRAIN® выпускается по КМОП процессу 0,18 микрон и представляет
собой полноценную систему на кристалле с преобразователем аналоговых сигналов, микропроцессором и
энергонезависимой памятью. Напряжение питания микросхемы от 2,1 В до 3,6 В. Микросхема предназначена
для применения в области цифровых датчиков.
Основные преимущества:
- высокая скорость измерений: до 10 КГц с полумостом и до 5 КГц в схеме полного моста
- высокая точность: до 20,3 бит RMS с 20 мВ/В датчиком при 10 Гц
- низкий ток потребления: от 1 до 3 мА на полной скорости в зависимости от конфигурации
и меньше чем 10 мкА на низкой скорости при среднем разрешении. (спецификация указана с учётом
собственного потребления датчика)
- не требуется настойка датчика на нулевое смещение, работа при любом смещении
- удобная температурная коррекция усиления и смещения с запрограммированным в чип алгоритмом:
не требуются резисторы подстройки
Примеры типовых конфигураций:
- 5 КГц, 0,02% пик-пик, 5000 делений или 12,3 бит, 2,1 мА
- 2 КГц, 0,01% пик-пик, 10000 делений или 13,2 бит, 1,25 мА
- 10 Гц, 0,0004% пик-пик, 250000 делений или 17,8 бит, 1,25 мА
3.Температурная компенсация
Современные датчики и электроника часто не ограничены практически по мгновенной точности, но нуждаются
в компенсации смещения, температурного дрейфа смещения и дрейфа чувствительности (коэффициента усиления).
Для минимизации смещения используется подстройка смещения с помощью подстроечных резисторов и компенсация
коэффициента усиления с помощью т.н. «метода источника тока» (current source approach) как показано
на рисунке ниже:
При использовании этого простого метода компенсации мост Уинстона запитан от источника тока, а различные резисторы используются для компенсации. С помощью низкоомных резисторов в нижней части моста компенсируется исходное смещение. Однако резисторы моста имеют положительный ТКС, что вызывает рост напряжения моста с ростом температуры. Чтобы скорректировать это влияние на коэффициент передачи используется резистор Rts, шунтирующий увеличение тока возбуждения при росте температуры (вместе с увеличением напряжения моста, вызванного увеличением его сопротивления). Собственно чувствительность имеет отрицательный коэффициент зависимости от температуры, поэтому оба механизма дрейфа в некоторой мере компенсируют друг друга. Аналогичным образом резистор Rtz противодействует изменению смещения от температуры. Эти механизмы компенсации взаимодействуют между собой, что приводит к тому, что процедура калибровки становится сложной и ограниченной по точности, а реализация электронной компенсации практически невозможна.
Именно в этой ситуации имеет преимущества температурная компенсация метода PICOSTRAIN®, алгоритм которого
размещённый внутри чипа даёт возможность автоматической и высокопрецизионной компенсации.
Встроенный в микросхему датчик с ТКС примерно 2500 ppm/K используется для построения компенсационного алгоритма
в комбинации с удалённым постоянным резистором с низкой температурной зависимостью — TKC около 100 ppm/K.
Этот компенсационный метод не ограничен резисторами и поэтому может быть настроен на достижение оптимальной
производительности. При этом внешние резисторы, такие как Rts, Rtz и источник тока исключаются из схемы настройки. Вместо этого два параметра (один для чувствительности, один для смещения) используются для подстройки по температурному дрейфу.
Таким образом, компенсационная схема с использованием продуктов PICOSTRAIN® принципиально упрощается и выглядит
следующим образом:
Всё в этой схеме намного проще: за исключением одного постоянного резистора не требуется резистор установки нуля, не требуется шунт Rts, не нужен стабилизирующий смещение резистор Rtz. Вместо использования источника тока для
питания моста, датчик (в нашем случае мост Уинстона)напрямую подключается к чипу и питается от него же. Температурная компенсация для продукции PICOSTRAIN® работает так хорошо, что пьезорезисторные датчики могут быть настроены на невероятно низкие уровни дрейфа чувствительности и смещения. Учитывая, что датчик имеет небольшую собственную нелинейность можно достичь дрейфа смещения ниже 3 ppm/K, а дрейфа усиления ниже 10 ppm/K.
4. Выводы.
Пьезорезисторные датчики широко используются в промышленном оборудовании, например в датчиках давления.
Традиционные электронные схемы обычно не могут существенно упростить производство и калибровку датчиков.
PICOSTRAIN® продукция принципиально упрощает конструкцию датчика и процесс калибровки путём внедрения
автоматической температурной компенсации, что в конечном итоге снижает стоимость продукции и повышает
её качество. Вместе с другими достоинствами микросхем (сейчас это PS09 и PS081), такими как высокая
скорость измерений при высокой точности, низкое потребление тока продукция PICOSTRAIN® позволяет улучшить
качество продукции. Дополнительно встроенный в чип микропроцессор позволяет разработать компактную
однокристальную конструкцию с полностью откалиброванным цифровым выходом.
5. Приложение.
Далее приведённая принципиальная электрическая схема демонстрирует насколько мало компонентов достаточно
для изготовления конструкции цифрового пьезорезисторного датчика с использованием микросхемs PS09.
Для более полной конструкторской информации рекомендуем обратиться к источнику PS09 data sheet размещённом
в интернете на странице www.acam.de/products/picostrain.
По вопросам поставки микросхем и средств разработки компании Acam, Германия обращайтесь
к официальному дистрибьютору в России ООО «Галант Электроникс»: 127521 Москва, 12-й Проезд Марьиной Рощи
д 9 стр. 1, Телефон:+7-495-987-42-10: www.acam.de или www.acam-e.ru