Przetworniki CDC cz.2. Zastosowanie w układach czujnikowych

96 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA AD7150 AD7150, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 1, produko- wany przez ?rmę Analog Devices, to 2-kanałowy przetwornik CDC ogólne- go przeznaczenia. Układ dostarcza kompletne rozwiązanie przetwarzania sygnałów dla czujników zbliżeniowych, przy jednoczesnym bardzo małym poborze energii oraz szybkiej odpowiedzi czasowej. Rozwiązaniem alterna- tywnym jest AD7151, z pojedynczym kanałem wejściowym. Układy wykorzystują technologię przetwarzania pojemność ? cyfra na bazie modulatora sigma ? delta, oferując właściwości ważne dla prawdzi- wych czujników, tj. bardzo dobrą czułość oraz wzmocnioną odporność na pasożytnicze pojemności uziemienia i prądy upływu. Oba układy mają wbudowany algorytm adaptacyjny wyrównywania wartości progowej, dla każdej zmiany czujnika pojemności odpowiednio do zmian otoczenia, np. wilgotność oraz temperatura, lub odpowiednio do zmian wartości dielektrycznej materiału. Przetworniki CDC (2) Zastosowanie w układach czujnikowych W EP 3/2009 opisaliśmy podstawy funkcjonowania przetwornika pojemność-cyfra. Teraz prezentujemy praktycznie zastosowania przetworników CDC w konstrukcji różnych układów czujnikowych. Opisane rozwiązania układowe wykorzystują układy scalone ?rmy Analog Devices typu AD7745/ 46 i AD7150/52. Domyślnie, układ pracuje samodzielnie, używając stałych ustawień od razu po włączeniu zasilania, wskazując detekcję na dwóch cyfrowych wyj- ściach. Alternatywnie, AD7150 może być podłączony do mikrokontrolera przez szeregowy interfejs I2 C. Za pomocą tego interfejsu można zapisywać i odczytywać stan wewnętrznych rejestrów, a przez to programować nasta- wy użytkownika, lub pobierać informacje o stanie układu. Rdzeniem układu AD7150 (rys. 1) jest wysokiej klasy przetwornik po- jemność ? cyfra (CDC), pozwalający na podłączenie bezpośrednio do wejść CIN1 i CIN2 czujnika pojemności. Komparatory zawarte w przetworniku porównują rezultaty uzyskane dzięki modulacji S-D z wartościami progo- wymi, które mogą przyjmować wartości stałe, bądź regulowane, dzięki zaimplementowaniu adaptacyjnego algorytmu wyrównywania warto- ści progowej. W ten sposób, wyjścia układu wskazują zmiany na wejściu z czujnika pojemności. Ponadto zawiera AD7150 wyjście pobudzenia oraz CAPDAC dla wejść pojemnościowych, multiplekser, generator zegarowy, zegar trybu obniżo- nego poboru mocy, układ kontroli napięcia zasilania oraz interfejs I2 C. Na rys. 2 przedstawiono uproszczony, funkcjonalny schemat blokowy zaimplementowanego przetwornika pojemność ? cyfra. Przetwornik za- wiera modulator S-D drugiego rzędu z równoważeniem ładunku i ?ltr cy- frowy trzeciego rzędu. Mierzona pojemność Cx podłączona jest pomiędzy wyjściem pobudzenia (EXC), oraz wejściem modulatora S-D (CIN). Sygnał pobudzenia podawany jest na pojemność Cx podczas konwersji, modulator w sposób ciągły próbkuje ładunek na Cx. Na wyjściu ?ltra cyfrowego otrzy- Rys. 1. AD7150 ? schemat blokowy Rys. 2. Uproszczony schemat blokowy przetwornika CDC Rys. 4. Czujnik zbliżeniowy Rys. 3. Wykorzystanie układu CAPDAC część pierwsza tego artykułu dostępna jest na CD 97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Przetworniki CDC mujemy dane, które są ciągiem zer i jedynek. Informacja mierzona zawarta jest w gęstości zer i jedynek (stosunku zer do jedynek). AD7150 zaprojektowano z przeznaczeniem do pływającego czujnika pojemnościowego, zatem obie mierzone pojemności Cx powinny być od- izolowane od masy lub innych węzłów o stałych potencjałach. CAPDAC Pełny zakres pomiarowy przetwornika to 0?4 pF. Możliwa jest praca z większymi pojemnościami dołączanymi do wejścia, dzięki wbudowane- mu, programowalnemu układu CAPDAC (rys. 3), przy czym zakres zmian pojemności nie zmienia się, a offset może być równy do 10 pF. CAPDAC można interpretować jako ujemną pojemność połączoną bezpośrednio z wejściem CIN. CAPDAC ma rozdzielczość 6-bitów. Funkcja przenoszenia CAPDAC jest monotoniczna, dzięki czemu zwiększenie lub zmniejszenie wartości zapisanej w jego rejestrze powoduje proporcjonalną zmianę pojemności dołączanej do wejścia CIN. Na rys. 3 przedstawiono sposób, w jaki należy użyć modułu CAPDAC do zmiany zakresu mierzonych pojemności z 0?4 pF do 10?14 pF. Na rys. 4 przedstawiono ideę działania i implementacji przetwornika CDC oraz umieszczono wzór z zakreślonymi wartościami podlegającymi zmianom na wejściu przetwornika. Na fot. 5 przedstawiono płytkę ewaluacyjną przeznaczoną do testo- wania układu. AD7150 bardzo często wykorzystywany jest przez przemysł motoryzacyjny i jest elementem składowym modułu tzw. pasywnego (in- teligentnego) wejścia. Przedstawiona płytka montowana jest w klamce samochodu. Kierowca wkładając rękę pod klamkę, wpływa na pojemność między dwiema okładkami na płytce. Dzięki przetwornikowi AD7150 zmia- ny te są rejestrowane i na wyjściu układu pojawia się sygnał cyfrowy, któ- ry zostaje wysyłany do układu ECU (Engine Control Unit). Następnie, ECU komunikuje się z kluczem wyposażonym w układ RFID (Radio Frequency Identi?cation), który to kierowca ma przy sobie, sprawdzając w ten sposób wiarygodność kierowcy. Jeśli proces identy?kacji przebiegł pomyślnie, to sterownik kontroli wtrysku pozwala na uruchomienie silnika samochodu. Cały proces przedstawiono na rys. 6. Zestaw ewaluacyjny ?rmy Analog Devices z układem AD7150 umoż- liwia lepsze poznanie możliwości oraz zasady działania przetwornika. Fot. 5. Płytka ewaluacyjna AD7150 Rys. 6. Pasywne, inteligentne wejście ? zasada działania Rys. 7. Adaptacyjna regulacja wartości progowych Fot. 12. AD7745/46 ? płytka ewaluacyjna Rys. 8. Schemat blokowy układu AD7745 Rys. 9. Schemat blokowy układu AD7746 Rys. 10. Wewnętrzny czujnik temperatury Rys. 11. Błąd bezwzględny wbudowanego czujnika temperatury (AD774x) 98 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Rys. 16. Czujnik położenia z układem AD7745/46 Dzięki zamieszczonemu oprogramowaniu prze- znaczonemu dla śro- dowisko LabView, użyt- kownik może uzyskać dostęp do ustawień re- jestrów układu, śledzić sygnał wyjściowy itd. Do tego celu wystarcza- jąca jest uproszczona wersja LabView, która dostarczana jest wraz z zestawem. AD7745/46 Układy AD7745/46 są wysokiej rozdzielczości przetwornikami pojem- ność-cyfra (CDC, ang. Capacitance-to-Digital-Converter) o rozdzielczości aż 24 bitów. Mierzona pojemność podłączana jest bezpośrednio do wejścia układu. Układ AD7745 posiada jedno wejście pomiarowe, natomiast AD- 7746 dwa. Oba układy przeznaczone są do współpracy z czujnikami pojemności, w których żadna z okładzin nie jest podłączona z masą. Do zastosowań z końcówka uziemioną przeznaczony jest przetwornik AD7747. Zakres pomiarowy AD7745 jest równy ?4,096 pF, lecz może być prze- sunięty dzięki zastosowaniu programowanej ujemnej pojemności (CAP- DAC). Do dyspozycji są dwa, niezależne moduły CAPDAC: jeden podłączony do wejścia Cin(?), drugi podłączony do wejścia Cin(+). Relacja pomiędzy pojemnością na wejściu do wyjściowego słowa kodowego opisana jest wzorem: DANE"(CX ?CAPDAC(+))?(CY ?CAPDAC(?)) Oba moduły CAPDAC mają rozdzielczość 7-bitów, monotoniczną funk- cję przenoszenia, są wzajemnie skorelowane oraz charakteryzują się tak samo zde?niowanym współczynnikiem temperaturowym. Moduł CAPDAC nie jest fabrycznie kalibrowany, na co trzeba zwrócić szczególną uwagę Rys. 14. Płytka ewaluacyjna z układem AD7745/46 Rys. 15.Pomiary odległości oraz położenia z wykorzystaniem przetwornika CDC stosując układ. W AD7746 CAPDAC jest dzielony pomiędzy dwa kanały wejściowe. Układy mają wbudowany czujnik temperatury o rozdzielczość 0,1°C oraz dokładności ?2°C. Jest to bardzo przydatny, stosowany praktycznie w każdej aplikacji element, ponieważ zauważalny jest bardzo niekorzystny wpływ zmian temperatury otoczenia na mierzoną pojemność. Na rys. 4 można za- obserwować zmiany błędu bezwzględnego wbudowanego w układ AD774x czujnika temperatury, w całym temperaturowym zakresie pracy. Wbudo- wane źródło referencyjne i generator zegarowy eliminują potrzebę użycia dodatkowych podzespołów w aplikacji. Układy mają standardowe napięcia wejściowe, które w połączeniu z napięciem referencyjnym, pozwala na łatwe zastosowanie zewnętrznego czujnika temperatury. Na rys. 14 przedstawiono płytkę ewaluacyjną wykorzystującą prze- twornik AD7746. Wsuwając i wysuwając pasek zmienia się pojemność kon- densatora (rys. 15). Przetwornik CDC AD7755/46 może w takim przypadku służyć jako miernik położenia/odległości. Wymagający mogą zastosować zewnętrzny czujnik temperatury, jak również zewnętrzne źródło napięcia referencyjnego (np. AD780). Podobnie jak poprzednio, do programowania i oceny wykorzystano środowisko LabView. Oprogramowanie przedstawia wartość pojemności w postaci liczby szesnastkowej, w pF, odległość w mm lub calach, oraz wizualnie (szary pasek). Przed każdym pomiarem warto kalibrować prze- twornik. W tym celu należy ustawić zielony pasek dielektryczny w pozycji 51 mm (2 cale) i nacisnąć przycisk oznaczony jako ?0 mm/0 inch Cal?/ ?51mm/2inch Cal?. Oprogramowanie pozwala również ustawić i ska- librować przetwornik ręcznie, ustawiając bity według własnego uznania (rys. 16). Oprogramowanie pozwala również na analizę wyjściowego słowa ko- dowego, np. dzięki histogramowi wartości na wyjściu. Częstotliwość od- świeżania wyniku można ustawić w granicach 10?90 Hz. Trzeba pamię- tać, że zwiększanie częstotliwości odświeżania zwiększa błąd konwersji. Przetwornik ma cztery tryby pracy: ? Stan pracy ciągłej (Continuous Conversion), w którym układ wielokrot- nie wykonuje konwersję dla aktywnych wejść. Jeśli aktywne są dwa wejścia (możliwe tylko dla AD7746), to układ kolejno wykonuje kon- wersje dla każdego z wejść. ? Konwersja pojedyncza (Single Conversion), podczas której układ wy- konuje jedną konwersję dla aktywnego wejścia, a następnie oczekuje na kolejne wyzwolenie pomiaru w stanie wstrzymania. Jeśli aktywne są dwa wejścia, to konwersja wykonywana jest kolejno dla każdego z wejść. ? Stan wstrzymania (Standby Mode, Idle), w którym układ jest zasilany, lecz nie wykonuje żadnej konwersji. ? Stan obniżonego poboru mocy (Power Down), w którym układ jest praktycznie wyłączony, pracuje tylko interfejs cyfrowy. Odpowiednie tryby pracy załączane są za pomocą odpowiednich na- staw rejestry kon?guracji (Con?guration Register). Oprócz wyżej wymie- nionych, układ ma dwa dodatkowe, specjalne tryby pracy. Są to, pojemno- ściowa kalibracja offset-u, oraz pojemnościowa lub napięciowa kalibracja wzmocnienia. Piotr Pietrzyk P.Pietrzyk@ieee.org Rys. 13. Zewnętrzny czujnik temperatury podłączony do zasilania Vdd (AD774x)