实现电子调平工具

虽然是很有挑战性的,设计精密的电子版本的工具,在这个行业篇文章中,我们设计一个电子能级相匹配的特点,传统的工具。

首先,我们将简要的历史水准测量工具。然后,我们将描述所需的电路管理接收到的信号从一个加速度计。我们将讨论一个可配置的混合信号集成电路的内部设计澳洲中药行业联合会()执行电子工具的主要功能。我们选择使用GreenPAK SLG46120V为这个程序注意由于其规模和灵活性。最后,我们将展示我们的视觉和音响接口。

历史和平整的秘密工具

水平是一个工具,旨在告诉用户是否连续表面的水平(也称为水平)或垂直方向(也称为垂直)。

这个简单的信息是至关重要的砖砌的,金属,和木工。几十年来设计基本上保持不变——一个基本水平包含一个玻璃小瓶,是完全充满了液体,除了一个小泡沫。由于重力的共同作用和密度差异,泡沫总是移动到最高点的瓶和重力作用于瓶内的液体的曲面。

图1所示。夸张的玻璃小瓶和泡沫的行为。

图1说明了夸张的玻璃小瓶强调了它是如何工作的。图1 (a)展示了泡沫集中在瓶完全水平。在图1 (b),泡沫迁移到最高点,当瓶旋转。注意,旧的位置标记为褪了色的泡沫高度较低。由于泡沫密度较低,它总是浮向弧形瓶的顶部表面。

平整工具设计

尽管简单的机制,关键是水准测量工具执行非常高的精度。灵敏度是一个重要的规范水平,因为它在很大程度上决定设备的整体精度。的敏感性水平角的变化或由一组梯度移动泡沫所需的距离。如果瓶毕业分歧,灵敏度是指角或梯度变化需要移动的泡沫这些分歧之一。

灵敏度直接相关的曲率半径的瓶。半径越长,瓶会更敏感,反之亦然。对于这个应用程序,我们将使用一个简单的泡沫水平作为参考。这些简单的水平并不带有敏感性规范,但大致可以衡量其灵敏度用一把尺子和一个卡尺。图2(一个)显示真正的泡沫水平作为参考工具在这个应用程序中。

图2。实际水平和粗糙的灵敏度测量方案。

的测量中,我们使用一个31厘米尺子,一般来说。图2 (b),显示了统治者接触表面一端而提高。我们使用卡尺测量高度的提高。瓶的泡沫在中间休息时,统治者是平行的平面。在这种情况下,α的值是零。然后,我们提出了统治者的一端,直到它到达了第一位黑人马克和记录高度,即变量b表示在图2 (b)。灵敏度计算使用以下公式:

因此,两个黑点之间的敏感性为3.14°。我们的目标是设计一个电子水平至少一样好泡沫水平。

接下来,我们需要讨论电子产品用于创建电子水平,有一个对灵敏度的影响。灵敏度直接关系到重力传感器的特性。在这个应用程序中,我们使用了NXP加速度计MMA7260QT(PDF)。这个设备信号调节特性,1-pole低通滤波器、温度补偿和四个灵敏度设置之间的选择的能力。设备的平均电流消耗是500µa在操作,但它会降到3µa后进入睡眠模式。

NXP加速度计的VDD需求2.2 V - 3.6 V,因为这被认为是一个低功率应用程序。最大的灵敏度是800 mV在1.5 g / g,这是它的默认配置。输出加速度变量的值是一个模拟电压,当设计师感兴趣只在重力向量,输出电压可以根据以下公式描述:

•V_y(α)加速度计电压输出。
•α角的g。
•V_年代的灵敏度电压V / g。

解决方案架构

应用注意的这个部分将描述电子调平工具的构建块和细节电路是如何构建的。

我们从图4中,它显示了一个完整的系统的框图。设计有两个主要部分:信号调节澳洲中药行业联合会和核心。棕色盒子的包含块生成和条件的信号,和绿色框包含GreenPAK集成电路和RC计时网络支持部分,音频驱动程序和一个可视指示符。的GreenPAK SLG46120V IC被选为执行多种功能,包括一个振荡器,声音驱动程序,导致数组。

图4。系统框图。

外部电路

图5(一个)显示模块,图5 (b)显示了加速度计传感器的引脚分配。

图5。加速度计模块和引出线。

块1是由一个现成的加速度计传感器模块,执行收购的重力向量投影测量的轴。输出的模拟信号的电压成正比的重力向量上的投影的三个轴。

Sel1和Sel2针是两个输入插脚,允许用户选择加速度计的灵敏度。把SEL1, SEL2无关的,默认的敏感性是1.5 g感谢下拉电阻连接到输入。睡眠销将直接连接到VDD因为我们只想证明电子水准仪的基本功能的工具。如果需要,用户可以实现和生物钟功能来减少功耗通过改变GreenPAK设计的实现。

接下来,我们条件信号,使其适合驱动GreenPAK VCO的设计。我们首先先回顾图3,我们采取轴作为参考。我们现在只对大感兴趣信号的变化所提供的功能。根据图6中,我们注意到,传感器灵敏度的绿色阴影面积大于蓝色阴影区域由于电压变化。

图6。加速度计输出信号和电压变化突出。

绿色区域的优点是线性属性。v的变化(α)可以被视为线性正比于α的变化如果α假定值非常接近于零。这可能是由于正弦近似定义为:

我们不能应用正弦近似的蓝色阴影区域和低变异函数v(α),对于那些α的值更容易受到噪声。

水准测量是一个过程,用户将设备直到α读取零。我们使用一个声音界面显示,当这一切发生的时候。由于水平是二进制信息(它是或不是水平),我们建立一个声音信号最高频率的水平以下。因此,我们必须改变输入信号的形状让我们知道当α= 0°是阅读。这任务是通过使用绝对值函数对v(α)的α值绿色阴影区域。结果突出显示在图7中,图7 (a)表示原始信号和图7 (b)表示结果绝对值函数的电路。注意到红色圆圈指示的最大当α= 0°。然后,当用户将设备水平设备直到到达最高处。

块2描述了“绝对值函数”。信号调节电路基于SLG88104V实现。这部分是一个包四个CMOS运算放大器的轨到轨输入和输出操作的能力。

图7。绝对的函数是应用于绿色阴影区域。

这一部分的主要优点是低电流消耗375 na,宽电压范围,非常小的区域足迹。另一个有用的特性是各个断电控制放大器使它适用于低功率应用程序。

Ratiometricity指换能器的能力维持一个恒定的敏感性在电源电压值的范围。加速度计输出信号偏移电压和灵敏度与应用电源电压呈线性比例关系。块2的输入还考虑加速度计抵消参考。图8显示了一个线路图进行绝对值函数和放大。VGND电路点尺度线性电源电压应用。因此,ACCEL和VGND非常接近抵消参考意义,虚拟“零伏特”读取ACCEL将非常接近的虚拟“零伏特”VGND参考。因此,电路所需校准ACCEL电路时候只是如果抵消错误不够低。

图8。放大电路,倒与SLG88104V绝对值函数。

大电压变化的加速度计由于小装置旋转功能,我们希望我们的设计。

敏感性和相关特性是它可以控制使用放大。放大的变化之间的比率的变化成比例的输出频率压控振荡器(VCO)。R13和R14电阻组成的获得网络之前的最后一个运算放大器输出信号标签ABS,运算放大器是配置为非反相放大器,给出了增益为:

图9显示了一个阴谋指导设计师如何控制装置通过调整放大系数的敏感性_获得。

大电压变化的加速度计由于小装置旋转功能,我们希望我们的设计。

敏感性和相关特性是它可以控制使用放大。放大的变化之间的比率的变化成比例的输出频率压控振荡器(VCO)。R13和R14电阻组成的获得网络之前的最后一个运算放大器输出信号标签ABS,运算放大器是配置为非反相放大器,给出了增益为:

图9显示了一个阴谋指导设计师如何控制装置通过调整放大系数的敏感性。

图9。VCO输出频率的函数。

GreenPAK电路

最后阶段的信号调节,用块3,执行过滤和信号缓冲。图10显示了一个的整体示意图GreenPAK SLG46120V集成电路接口与外部的部分。块2的输出信号是ABS的标签。

图10。GreenPAK SLG46120V和外部组件。

接下来,信号过滤RC低通滤波器由R7和C2,这是为了消除突然运动的影响,可能导致故障显示或声音驱动程序。加速度计可以检测物理碰撞输出高频噪声过滤。然后,滤波器的输出到一个共同的收集器放大器拓扑(也称为一个射极跟随器),它被用作电压缓冲器的VCO开车。

R8定义了抵消用来控制最高的语气音调当α= 0°Q2的发射器连接到时间常数RC网络R1和C1控制压控振荡器的振荡。部分Q1, R3、R4和SP1组成“声音驱动程序接口”。接口语气来自扬声器SP1由晶体管Q1开关。

显示界面是由发光二极管的数组。LED1和LED2代表负α,LED4 LED5代表积极的α值,LED3代表α的值非常接近0度。

图11。销10输出属性。

根据SLG46120V数据表,典型低输出电流22.9 mA @ 3.3 v时排水明沟NMOS 2 x。图9显示了GreenPAK PIN10界面的性质。这个输出引线结构用于驱动发光二极管。led电流18.3 mA由于82欧姆电阻和我们假设发光二极管上的电压降为1.8 v。PIN11控制LED3只。PIN10和PIN12控制LED4 / LED1 LED2 / LED5对,分别。驱动程序是由一个分支PIN9分流LED5 / LED4同时推动第三季度。第三季度是一个是一个开关晶体管和反相逻辑端口。它分流术LED1 / LED2当LED4 / LED5浮动,反之亦然。电路角度α(PA)的积极和消极的α(NA)来自块2。 These circuit points read and discriminate positive or negative values of α. This information will be part of the circuit that controls PIN9 logic.

图12显示了这GreenPAK设计。我们还可以确定内部功能:VCO,控制和声音驱动程序。

图12。GreenPAK SLG46120V内部设计。

词根的VCO由一个查找表(LUT),模拟比较器(ACMP),一个计数器,两针。Pin3 ACMP的输入,而平快将电容器连接到接地,当达到阈值。ACMP0内部参考设置为400 mv,放电阈值。Pin3被配置为模拟输入而销5是配置为1 x明渠NMOS数字输出与一个浮动的电阻。

2比特的LUT4配置作为逆变器。柜台问/ DLY2计数5确保电容完全放电。提供的时钟源是2 mhz OSC和提供放电的时间设定的CNT / DLY2是3.75。

显示控制的工作原理是测量信号的周期由VCO生成。这个函数是由CNT0 / DLY0 2比特LUT2, CNT1 / DLY1、过滤器、2比特LUT3, DFF6, DFF7。基本上,这个结构数量多少脉冲CNT1 / DLY1柜台放不下一段VCO信号的输出。DFF6 DFF7形式2比特计数器计数,从0到3。

当信号期间减少或增加,2比特计数器将注册一个号码和一个三3-bit附近地区将输出高根据他们的配置。表2显示了这附近地区,根据计数器寄存器是活跃的。

因为四位是不足以代表5角值,我们使用技巧来实现我们的目标。在图12中,注意到比较器交替ACMP1导致PIN9分流术rails领导的积极的和消极的。表2表3的逻辑延伸,包括从ACMP1和参考加速度计电压信号的结果如表1。

表2。显示事件控制

柜台登记	附近地区	活跃的销
3	没有一个	保持显示
2	3-bit LUT1	销11
1	3-bit LUT8	销12
0	3-bit LUT0	销10

为了创建声音驱动程序块5,我们使用的外部RC网络VCO来生成一个最大4 khz的频率。因为这个频率是高音,可以为人类的耳朵不舒服,我们使用两个DFFs降低到更令人1 khz的语气。

设计测试

一种方法是检查设备是否正常工作分析VCO的输出。我们使用了一个示波器来测量VCO输出当兴奋的信号来自加速度计。图13(一个)显示输出的工具放置在水平方向时,在图13 (b)显示了工具时输出一个斜坡。

图13。VCO输出根据水平对齐:(a)输入1.8伏特的电压和频率4.1 KHz, (b)输入电压为1.0伏,2.1 KHz的频率。

蓝色和黄色线表示的输入和输出信号,分别。如图13所示的结果是否与情节功能在图9中,那么你可能会得出这样的结论:结果来自一组电路一个_获得= 10。

表3。扩展显示事件

柜台登记	附近地区	活跃的销	ACMP1	活跃的铁路	领导	加速度计电压
3	没有附近地区	保持显示	+ / -	忽略	保持显示	忽略
2	3-bit LUT1	销11	忽略	忽略	LED3	0 V
1	3-bit LUT8	销12	+	销9	LED5	+ 0.0219 V
0	3-bit LUT0	销10	+	销9	LED4	+ 0.0110 V
2	3-bit LUT1	销11	忽略	忽略	LED3	0 V
1	3-bit LUT8	销12	- - - - - -	销8	LED2	-0.0110 V
0	3-bit LUT0	销10	- - - - - -	销8	LED1	-0.0219 V

结论

在这个行业,我们构造了一个电子调平工具。我们设计所需的电路条件一个模拟信号从一个加速度计和一个声音/视觉用户界面表示如果工具是水平。设计按预期工作,我们提出了信号的情节设计测试部分。

澳洲中药行业联合会的组合GreenPAK SLG46120V和SLG88104V四运算放大器为设计电子水平提供了理想的资源。VCO结构是简单的构造,有足够的资源来实现音响接口和一个可视指示符让用户知道如何关闭工具是水平面。关于这个项目的更多信息,查看Silego应用注释。

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