Введение
Измерение положения объекта (линейного и углового) является весьма распространённой задачей при построении сложных систем автоматического управления.
В настоящее время для создания электроники обработки сигналов с датчиков положения в ответственных применениях используют отечественные микроконтроллеры либо применяют блоки обработки на дискретных компонентах. Наиболее оптимальным с точки зрения массогабаритных характеристик, потребляемой мощности и надёжности устройства в целом является использование специализированной большой интегральной схемы (БИС) обработки сигналов датчиков положения.
Для решения этой задачи коллективом дизайн-центра ЗАО «Зеленоградский нанотехнологический центр» была разработана БИС преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения – К1382НХ045.
Описание БИС
Микросхема предназначена для работы с внешними чувствительными элементами или датчиками, формирующими сигнал положения в виде фазы квадратурного сигнала, такими как магниторезисторы, датчики Холла, законченные энкодеры с синусно-косинусным выходом, вращающиеся трансформаторы.
Структурная схема БИС показана на рисунке 1.
Дифференциальные синусно-косинусные сигналы с датчика положения поступают на вход микросхемы. Далее сигналы усиливаются в программируемом усилителе (PGA) и поступают на сигма-дельта АЦП.
Для сопряжения с широким набором внешних датчиков и чувствительных элементов микросхема имеет программируемый усилитель с регулировкой коэффициента усиления в диапазоне 12–28 и напряжения смещения в диапазоне ±80 мВ с шагом 5 мВ. Кроме того, для подключения датчиков с большим размахом выходного сигнала предусмотрена возможность установки коэффициента усиления программируемого усилителя – 1.
После АЦП возможна дополнительная коррекция напряжения смещения синусного и косинусного сигналов по отдельности в цифровой форме. Вычисление кода положения обеспечивается встроенным CORDIC-процессором. После операции вычисления производятся дополнительные подстройки кода положения: смещение нулевой точки, подстройка крутизны и ограничивающих верхнего и нижнего пороговых уровней, изменение направления вращения. Все пользовательские настройки сохраняются в энергонезависимой памяти.
Микросхема обеспечивает выдачу сигнала углового положения в двух представлениях: цифровое значение кода положения, передаваемое через интерфейс SPI/SSI, и аналоговое представление кода положения, снимаемое с выхода ратиометрического цифроаналогового преобразователя (ЦАПа).
Технические характеристики микросхемы приведены в таблице.
Для конфигурирования микросхемы предусмотрено два типа интерфейсов:
1) SPI;
2) однопроводный OWI, совмещённый с аналоговым выходом.
Интерфейс OWI позволяет минимизировать количество проводов, идущих к датчику. В данном режиме датчик может иметь минимальный набор соединительных проводников: общий, шина питания и порт OWI.
Для входа в режим конфигурирования после подачи питания в течение заданного времени необходимо подать специальную команду на шину OWI. После получения команды блок управления микросхемы отключает ЦАП и производит конфигурирование по двунаправленной шине OWI. Для применения настроек после конфигурирования необходимо выключить и снова включить питание.
Для обеспечения учёта и идентификации датчиков EEPROM микросхемы содержит 32-битное поле идентификации номера микросхемы CHIP_ID, доступное для программирования пользователю.
На рисунке 2 показан пример зависимости выходного напряжения от фазы входного синусно-косинусного сигнала, иллюстрирующий передаточную характеристику микросхемы.
Результаты измерений получены при работе с отключённым программируемым усилителем и крутизной преобразования 0,5.
На рисунке 3 показана зависимость выходного напряжения от входного при тех же входных сигналах, но при запрограммированном смещении нулевого положения на 180°.
Применения
Базовая схема применения микросхемы К1382НХ045 при создании датчика угла с аналоговым выходом на основе магниторезисторов приведена на рисунке 4.
На основе данной схемы был разработан датчик положения дроссельной заслонки для автомобилей ВАЗ. В качестве сенсоров использовался сдвоенный магниторезистивный мост производства ЗАО «ЗНТЦ», аналогичный по характеристикам мосту KMZ41. Датчик настраивается через порт OWI, совмещённый с аналоговым выходом.
Фотография платы датчика представлена на рисунке 5.
На основе микросхемы К1382НХ045 также был разработан абсолютный однооборотный энкодер углового положения. Энкодер предназначен для определения углового положения вала в пределах 0…360°. В качестве чувствительных элементов применялись датчики Холла. Для считывания углового положения использовался интерфейс SPI.
На рисунке 6 приведены фото конструктивов углового энкодера.
Заключение
Разработанная микросхема К1382НХ045 преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения позволяет создавать малогабаритные датчики углового положения с разрешением до 0,1° при использовании одной пары полюсов магнита. Использование многополюсных магнитов позволит увеличить данное разрешение пропорционально числу полюсов.
Благодаря возможности обработки сигналов различных типов чувствительных элементов и датчиков, а также гибкой системе настроек микросхема позволяет удовлетворить потребность отечественных разработчиков датчиков положения широкого класса.
Микросхема доступна в корпусном исполнении QFN-40, H16.48, 5122.24 и 5123.28. Предусмотрен бескорпусный вариант.
© СТА-ПРЕСС
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
