УДК 621.317
А.И. Сафонов
РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА
ССАМОКАЛИБРОВКОЙ
Всовременном мире акселерометры применяются в большой сфере приложений: робототехника, комплекс энергетических машин, портативная электроника, промышленные установки, бытовая техника, игрушки, медицинские импланты и другое. Распространение акселерометров и других МЭМС-датчиков имеет широкую направленность. Исследования демонстрируют, что российские разработчики пытаются стремительно применять инерционные датчики.
Встроенные функции самокалибровки дают возможность контролировать работоспособность датчика без любых перемещений. При активации функции самокалибровки к датчику прикладывается определенное электростатическое поле, которое имитирует конкретное ускорение. На выходе датчика создаются данные, которые будут отличаться от показаний при отсутствии воздействия.
При выполнении самокалибровки степень выходного сигнала датчика обуславливается алгебраической суммой сигналов, формируемых непосредственным ускорением, действующим на датчик,
иэлектростатическим испытательным воздействием. Процесс самокалибровки включает в себя четыре этапа:
1) включение акселерометра;
2) усреднение пяти выборок перед включением самокалиб-
ровки;
3) усреднение пяти образцов после включения самокалиб-
ровки;
4) вычисление абсолютной разности показаний для каждой оси и контроль того, что она попадает в данную область значений. Наибольшие и наименьшие значения отображены в документации акселерометра.
35
УДК 621.317.33
В.С. Соколов
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В АКСЕЛЕРОМЕТРЕ ПРИ ЕМКОСТНОМ ДЕТЕКТИРОВАНИИ
Акселерометр (так же называемый датчиком инерции) измеряет ускорение. Принципы работы данных датчиков различаются в зависимости от способа получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы. Можно выделить множество категорий акселерометров; рассмотрим три наиболее ак-туальные категории: пьезоэлектрические, пьезорезистивные, ем-костные.
Широко распространены емкостные МЕМС-акселерометры – датчики ускорения, принцип работы которых основан на емкостном преобразовании перемещений инерционной массы, находящейся внутри акселерометра. Эти датчики получили большое распростра-нение благодаря тому, что они используются для решения широкого круга задач. Данные устройства позволяют определять ускорение, положение, перемещение и прочие параметры.
Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента с электродами при перемещении инерционной массы, являющейся его частью, под дей-ствием ускорения.
Существует множество методов, позволяющих снизить количество помех, шумов. Одним из таких методов является двойная коррелированная выборка.
Коррелированная двойная выборка – это метод измерения электрических величин, таких как напряжения или токи, который позволяет устранить нежелательное смещение. Часто используется при измерении выходных сигналов датчиков. Выходной сигнал дат-чика измеряется дважды: один раз в известном состоянии и один раз в неизвестном состоянии. Затем значение, измеренное из известного состояния, вычитается из неизвестного состояния, чтобы получить значение с известным отношением к измеряемой физической вели-чине. Обычно используется в операционных усилителях с переклю-чаемыми конденсаторами.
36
УДК 621.317.33
А.Н. Турбина
РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ПРЕРЫВАНИЯ
Микроэлектромеханические системы (MEMS) - это концепция создания электронных компонентов, которая стала популярна в последнее время из-за растущей степени миниатюризации. Сейчас технологии MEMS используются для изготовления различных чипов. Датчики MEMS можно разделить на датчики с различными чувствительными элементами и принципами преобразования физической величины в электрический сигнал, которые определяют внутреннюю структуру системы. Наиболее распространенным датчиком является акселерометр. Это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения на одну или несколько осей, называемых осями чувствительности. Акселерометр содержит подвижную трехмерную структуру, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя нагрузки, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексора, излучающего сигналы для АЦП сигма-дельта. После АЦП данные фильтруются и вводятся в регистры хранения. Доступ к данным и управление параметрами акселерометра осуществляется через интерфейс I2C или SPI, а отдельный блок контролирует работу акселерометра и формирование прерываний.
Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания для превышения порога или обнаружения свободного падения, а также для изменения положения устройства. Пороговые значения и время срабатывания прерываний могут быть определены пользователем. Акселерометр со стабилизацией прерывания имеет программируемую систему прерывания, которая может генерировать сигнал прерывания на выходе INT. Индикаторы состояния указывают источник прерывания. Источники прерываний можно включать и выключать по отдельности программно.
Основными преимуществами являются простой интерфейс с хост-системой, наличие нескольких режимов работы, настраиваемые условия для генерации сигналов прерывания.
37
УДК 621.317
М.А. Филатов
МЕТОД СТАБИЛИЗАЦИИ ПРЕРЫВАНИЕМ
Большое количество электронных приложений работают с очень малыми входными сигналами. Эти системы требуют сигнальные такты с очень низким напряжением смещения с течением времени и температуры. Со стандартными линейными компонентами, единственный способ добиться этого – использование автокалибровки на уровне системы. Тем не менее, добавление автокалибровки требует более сложного оборудования и программного обеспечения и может замедлить выпуск новых продуктов на рынок. Альтернативой является использование компонентов с малым смещением напряжения и низким дрейфом. Усилители с самым низким смещением напряжения и низким дрейфом – усилители с автоматическим обнулением или, как их ещё называют, стабилизированные прерыванием. Эти усилители достигают высокой точности постоянного тока за счет непрерывной работы механизма калибровки, реализованный на кристалле. При типичном входном напряжении смещении 1 мкВ достигается температурно-зависимый дрейф 20 нВ/oC и долгосрочный дрейф 20 нВ/месяц. Эти усилители удовлетворяют даже самым высоким требованиям точности постоянного тока.
Усилитель с прерыванием выигрывает от высокого общего усиления по постоянному току и низкого основного шума. Коэффициент усиления постоянного тока, являющийся продуктом переменного тока и коэффициента усиления по постоянному току интегратора, легко достигает усиление без обратной связи 160 дБ и снижает ошибку усиления почти до нуля.
Шум основной полосы частот состоит из входного смещения напряжение (также известное как шум постоянного тока), шум 1/f и низкочастотный белый шум. Смещение и дрейф на каскаде выходного интегратора обнуляются. Дрейфы постоянного тока в каскаде переменного тока также не имеют значения, потому что они изолированы от остальной части усилителя.
38
УДК 538.975
А.В. Сидоров
РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКСИДА АЗОТА
Всвязи с поставленной задачей на основе разработок итальянских учёных было разработано устройство, которое определяет степень заболевания бронхиальной астмой.
Для работы газоанализатора мы использовали литиевый аккумулятор емкостью 3000 мА·ч с платой контроля заряда, которая служит для стабильной работы и зашиты аккумулятора от перегрева
иглубокого разряда. Для подачи напряжения на плату повышающего напряжения, плату датчика и отладочную плату мы используем плату питания с индикатором заряда.
Вгазоанализаторе были использованы два датчика серии MQ. Первый датчик измеряет уровень паров спирта в воздухе, он нужен первоначально этапа разработки устройства, а как же отработки программного кода отладочной платы. Второй датчик используется для непосредственной работы устройства с углекислым газом.
Для работы отладочной платы Arduino mega 2560 и измерительной части датчика необходимо напряжение 4,2 В, а на подогрев подложки с датчиком необходимо подавать напряжение 7 В для его корректной работы. Вследствие этого мы используем плату повышающего преобразователя MP-7022 с сегментным индикатором для контроля напряжения и тока. На данной плате присутствует подстрочный резистор для корректировки выходного напряжения, что позволят выставить напряжение для более точной работы подогрева подложки датчика.
Для вывода информации, полученной с датчика, мы используем OLED i2c дисплей 128х64 пикселя. На нем отображается информация о времени загрузки прибора и уровень паров спирта или углекислоты в ППМ.
39