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实施电子调平工具

助工
2018-09-25 17:30:46    评分
虽然设计精密工具的电子版本可能具有挑战性,但在本行业文章中,我们设计的电子水平与传统工具的功能相匹配。

首先,我们将介绍平整工具的简要历史。然后,我们将描述管理从加速度计接收的信号所需的电路。然后,我们将讨论可配置混合信号集成电路(CMIC)的内部设计,该电路执行电子工具的主要功能。由于其尺寸和灵活性,我们选择将GreenPAK SLG46120V用于此应用笔记。最后,我们将展示我们的视觉和听觉界面。

 

调平工具的历史和秘密

水平仪是一种工具,旨在告诉用户表面在水平(也称为水平)或垂直(也称为垂直)方向上是直的。

这条简单的信息对砖砌,金属加工和木工至关重要。几十年来,设计基本保持不变 - 基本水平包含一个完全充满液体的玻璃小瓶,除了小气泡。由于重力和密度差异的共同作用,当重力作用于小瓶曲面内的液体时,气泡总是移动到小瓶的最高点。 

 

图1.夸大的玻璃瓶和泡沫行为。

 

图1展示了玻璃瓶的夸张,突出了它的工作原理。图1(a)显示了当小瓶完全水平时气泡居中。在图1(b)中,当小瓶旋转时,气泡迁移到最高点。请注意,标记为褪色气泡的旧位置具有较低的高度。由于气泡密度较小,因此它总是朝向弯曲的小瓶表面的顶部浮动。

 

调平工具设计

尽管机构简单,但调平工具的精度非常高。灵敏度是一个级别的重要规范,因为它在确定设备的整体精度方面起着重要作用。水平仪的敏感性质是将气泡移动设定距离所需的角度或梯度的变化。如果样品瓶具有刻度分度,那么灵敏度是指通过这些分区之一移动气泡所需的角度或梯度变化。

灵敏度与小瓶曲率半径直接相关。半径越长,小瓶越敏感,反之亦然。对于本应用笔记,我们将使用简单的气泡级别作为参考。这些简单的级别没有灵敏度规格,但可以通过使用标尺和卡尺粗略地测量其灵敏度。图2(a)显示了在本应用笔记中用作参考的真实气泡级工具。

 

图2.实际水平和粗略灵敏度测量方案。

 

对于测量,我们使用了一个31厘米长的标尺并在其上放置了一般水平。图2(b)显示了标尺在一端接触表面而抬起另一端的情况。我们用卡尺测量凸起侧的高度。当标尺平行于平面时,气泡位于小瓶的中间。在这种情况下,α的值为零。然后,我们抬起标尺的一端,直到它到达第一个黑色标记并记录高度,即图2(b)中表示的变量“b”。灵敏度使用以下公式计算:

因此,两个黑色标记之间的灵敏度为3.14°。我们的目标是设计一个至少与气泡水平一样好的电子水平仪。
  
接下来,我们需要讨论用于创建电子水平的电子设备,这会对灵敏度产生影响。灵敏度直接与重力传感器的特征有关。在本应用笔记中,我们使用了恩智浦加速度计MMA7260QT IC该器件具有信号调理,1极点低通滤波器,温度补偿以及在四种灵敏度设置之间进行选择的功能。器件的平均电流消耗在运行期间为500μA,但在进入睡眠模式后降至3μA。


恩智浦加速度计的VDD要求为2.2 V-3.6 V,因为它被认为是低功耗应用。最大灵敏度为1.5 m时为800 mV / g,这是其默认配置。加速度变量的输出值是模拟电压,当设计者只对重力矢量感兴趣时,可以根据下面的公式描述输出电压:


 
•V y(α)是加速度计电压输出。
•α是相对于g的角度。
•V s是以V / g为单位的灵敏度电压。


  image.png

灵敏度将随电源电压线性变化。这意味着随着电源电压线性增加,灵敏度和偏移也会发生同样的变化。表1显示了之前测量的灵敏度范围内的值。

 

图3.完全旋转时的加速度计输出。


图3说明了在-360 <α<360°的角度范围内旋转加速度计的效果。非常接近零的值几乎是线性的,这在我们的设计中是非常理想的。 

 

解决方案架构

应用笔记的这一部分将描述电子调平工具的构建模块,并详细说明电路的构造方式。 

我们从图4开始,图4显示了系统的完整框图。该设计有两个主要部分:信号调节和CMIC核心。棕褐色框包含生成和调节信号的块,绿色框包含GreenPAK集成电路及其支持部分,如RC定时网络,音频驱动程序和可视指示器。选择GreenPAK SLG46120V IC可执行多种功能,包括振荡器,声音驱动器和LED阵列。

 

图4.系统框图。

 

外部电路

图5(a)显示了模块板,图5(b)显示了加速计传感器的引脚排列。 

 

图5.加速度计模块和引脚排列。

 

块1由现成的加速度传感器模块组成,其在其轴上执行重力矢量投影测量的获取。输出是模拟信号,其中电压与三个轴之一中的重力矢量的投影成比例。

Sel1和Sel2引脚是两个输入引脚,允许用户选择加速度计的灵敏度。通过保持SEL1和SEL2不连接,由于连接到输入的下拉电阻,默认灵敏度为1.5g。Sleep引脚将直接连接到VDD,因为我们只想演示电子水平仪的基本功能。如果需要,用户可以通过改变GreenPAK设计的实现来实现唤醒 - 睡眠功能以降低功耗。

接下来,我们对信号进行调节,使其适合驱动GreenPAK设计的VCO。我们首先回顾图3,我们以y轴为参考。我们现在只对函数提供的信号的大变化感兴趣。根据图6,我们注意到由于电压变化,绿色阴影区域的传感器灵敏度大于蓝色阴影区域。

 

图6.加速度计信号输出和电压变化突出显示。

 

绿色区域的优点是线性特性。如果α假定值非常接近零,则可以认为Vy(α)的变化与α的变化成线性比例。由于正弦近似定义为:

我们不能对蓝色阴影区域应用正弦近似和函数Vy(α)的低变化,因为α的值更容易受到噪声的影响。

调平是用户转动设备直到α读数为零的过程。我们使用声音界面来指示何时发生这种情况。由于电平是二进制信息(它是或不是电平),我们确定低于最大频率的声音信号超出电平。因此,我们必须改变输入信号的形状,以便在读取α= 0°时通知我们。该任务通过在Vy(α)上使用绝对值函数来实现绿色阴影区域中的α值。结果在图7中突出显示,其中图7(a)表示原始信号,图7(b)表示绝对值函数电路的结果。注意,当α= 0°时,红色圆圈表示最大点。然后,当用户转动设备直到达到最高音高时,设备处于水平状态。

方框2描述了“绝对值函数”。使用基于SLG88104V的电路实现信号调理。该器件是四个CMOS运算放大器的封装,能够进行轨到轨输入和输出操作。 

 

图7.绝对功能  应用于阴影绿色区域。

 

该器件的主要优点是375nA的低电流消耗,宽电压范围,占地面积非常小。另一个有用的功能是对每个放大器进行单独的掉电控制,使其适用于低功率应用。

比率是指换能器在一定的电源电压值范围内保持恒定灵敏度的能力。加速度计信号输出偏移电压和灵敏度将随施加的电源电压线性变化。块2的输入也考虑加速度计偏移参考。图8示出了用于执行绝对值函数和放大的电路图。VGND电路点与施加的电源电压成线性比例。因此,ACCEL和VGND将具有非常接近的偏移参考,这意味着从ACCEL读取的虚拟“零伏”将非常接近VGND参考的虚拟“零伏”。因此,仅在偏移误差不够低的情况下才需要用于在ACCEL电路点校准的电路。

 

图8.使用SLG88104V进行放大和反转绝对值功能的电路。

 

由于设备旋转小而来自加速度计的大电压变化是我们希望设计的一个特征。

该特征与灵敏度有关,可以通过使用放大来控制。放大改变了与压控振荡器(VCO)的输出频率成比例的变化之间的比率。在信号输出标记为ABS之前,R13和R14电阻构成最后一个运算放大器的增益网络。运算放大器配置为非反相放大器,增益如下:

图9显示了一个图表,指导设计人员如何通过调整放大系数A Gain来控制器件的灵敏度

由于设备旋转小而来自加速度计的大电压变化是我们希望设计的一个特征。

该特征与灵敏度有关,可以通过使用放大来控制。放大改变了与压控振荡器(VCO)的输出频率成比例的变化之间的比率。在信号输出标记为ABS之前,R13和R14电阻构成最后一个运算放大器的增益网络。运算放大器配置为非反相放大器,增益如下:

图9显示了一个图表,指导设计人员如何通过调整放大系数来控制器件的灵敏度。

 

图9. VCO输出频率与增益的函数关系。

 

GreenPAK电路

由块3表示的信号调节的最后阶段执行滤波和信号缓冲。图10显示了GreenPAK SLG46120V IC与外部部件连接的整体示意图。来自块2的输出信号标记为ABS。

 

图10. GreenPAK SLG46120V和外部组件。

 

接下来,使用由R7和C2形成的RC低通滤波器对信号进行滤波,以消除可能导致显示器或声音驱动器出现故障的突然移动的影响。加速度计可以检测物理碰撞,从而输出必须过滤的高频噪声。然后,滤波器的输出进入公共集电极放大器拓扑(也称为射极跟随器),并用作VCO驱动的电压缓冲器。

当α= 0°时,R8定义用于控制最高音调音调的偏移.Q2的发射器连接到时间常数RC网络R1和C1,它控制VCO的振荡。部分Q1,R3,R4和SP1包括“声音驱动器接口”块。接口音通过由作为开关的晶体管Q1驱动的扬声器SP1。

显示器接口由LED阵列形成。LED1和LED2表示α的负值,LED4和LED5表示α的正值,LED3表示非常接近0度的值范围内的α。 

 

图11. PIN 10输出属性。

 

根据SLG46120V数据表,当使用开漏NMOS 2x时,低电平输出典型电流为22.9 mA @ 3.3V。图9显示了PIN10的GreenPAK接口属性。此输出引脚配置用于驱动LED。由于82欧姆的电阻,LED电流为18.3 mA,我们假设LED上的电压降为1.8V。PIN11仅控制LED3。PIN10和PIN12分别控制LED4 / LED1和LED2 / LED5对。分支驱动器由PIN9控制,分流LED5 / LED4并同时驱动Q3。Q3是一个晶体管,用作开关和反相逻辑端口。当LED4 / LED5浮动时,它会分流LED1 / LED2,反之亦然。电路点的正α(PA)和负α(NA)来自块2.这些电路点读取并区分α的正值或负值。

图12显示了这种GreenPAK设计。我们还可以识别内部功能:VCO,LED控制和声音驱动器。

 

图12. GreenPAK SLG46120V内部设计。

 
VCO由查找表(LUT),模拟比较器(ACMP),计数器和两个引脚组成。Pin3是ACMP的输入,而Pin5在达到阈值时将电容连接到GND。ACMP0的内部参考电压设置为400mV,即放电阈值。Pin3配置为模拟输入,而引脚5配置为带漏电阻的1x开漏NMOS数字输出。

2位LUT4配置为反相器。计数器CNT / DLY2最多计数5,以确保电容器完全放电。OSC提供的时钟源为2MHz,CNT / DLY2设置的放电时间为3.75us。

显示控制通过测量VCO产生的信号周期来工作。该功能由CNT0 / DLY0,2位LUT2,CNT1 / DLY1,FILTER,2位LUT3,DFF6和DFF7执行。基本上,该结构计算CNT1 / DLY1计数器的多少脉冲在VCO信号输出的周期内。DFF6和DFF7组成一个2位计数器,可以从0到3计数。 

当信号周期减小或增加时,该2位计数器将记录一个数字,三个3位LUT中的一个将根据其配置输出高电平。表2显示了根据计数器寄存器激活的LUT和LED。

由于四位不足以表示5个角度值,我们使用技巧来实现我们的目标。在图12中,注意比较器ACMP1正在驱动PIN9,它交替分流正负LED轨。表3扩展了表2的逻辑,包括ACMP1的信号结果和表1中的参考加速度计电压。

 

image.png


为了在Block 5中创建声音驱动器,我们使用VCO的外部RC网络产生4kHz的最大频率。由于这个频率是高音调的并且对于人耳来说可能不舒服,我们使用两个DFF将其降低到更令人愉悦的1kHz音调。

 

设计测试

检查设备是否正常工作的一种方法是分析VCO的输出。我们使用示波器在受到来自加速度计的信号激发时测量VCO输出。图13(a)显示了工具处于水平方向时的输出,而图13(b)显示了工具处于倾斜状态时的输出。

 

图13.根据水平对齐的VCO输出:(a)输入电压为1.8伏,频率为4.1千赫,(b)输入电压为1.0伏,频率为2.1千赫。

 

蓝线和黄线分别表示输入和输出信号。如果将图13中的结果与图9中的绘图函数进行比较,那么您可能会得出结论来自Gain = 10 的电路集

 

image.png


结论

在这篇行业文章中,我们构建了一个电子调平工具。我们设计了调节来自加速度计的模拟信号和声音/视觉用户界面所需的电路,该界面指示工具是否水平。设计按预期工作,我们在设计测试部分展示了信号图。

GreenPAK SLG46120V CMIC和SLG88104V四通道运算放大器的组合为设计这种半导体电子水平提供了理想的资源。VCO结构构造简单,有足够的资源来实现可听界面和可视指示器,让用户知道工具与水平面的接近程度。




关键词: 电子调平     半导体     IC    

专家
2018-09-25 20:05:07    评分
2楼

谢谢分享,学习了。


管理员
2018-09-26 09:24:23    评分
3楼

涨姿势


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