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Präzise 2-achsige Neigungsmessung mit individuellen Messbereich

Normalerweise sind MEMS Neigungssensoren nur in standardisierten Messbereichen von ±15°, ±30° oder ±90° verfügbar. Für viele Anwendungsbereiche wird jedoch öfters ein anderer Messbereich von vielleicht  ±5°, ±10° oder ±45° benötigt. Durch die Anwendung des Neigungssensors SCA100T-D02 der Fa. VTI und des programmierbaren Sensor-Interface IC's SX8724, Vertrieb beider Produkte Fa. HY-LINE Sensor-Tec, besteht nun die Möglichkeit einen einfachen und kostengünstigen Neigungssensor mit individuellen Meßbereich aufzubauen.

Der SCA100T von VTI ist ein temperaturstabilisierter, hochgenauer und robuster 2-Achsen Neigungssensor in MEMS-Technologie. Der Mess-Biegebalken hat einen mechanischen Überlastschutz von über 20.000g und eine mechanische Dämpfung. Er ist komplett kalibriert und wurde für den Einsatz in robusten  Applikationen, wie Automobile, Baufahrzeuge oder andere Applikationen entwickelt. Der Sensor ist in den Messbereichen ±30° und ±90° erhältlich und besitzt einen analogen Ausgang je Winkelachse mit einer Auflösung von 0,0025° (10 Hz BW, analog output).

Bild 1: Anbindung des SCA100T-D02 an den SX8724

Will man nun elektronisch einen Offset- und Gain-Abgleich durchführen und / oder zugleich einen individuellen Messbereich realisieren, muß man die Ausgangssignale des SCA100T-D02 verstärken und digitalisieren. Bei dem Aufbau der Verstärkerstufe und des A/D-Wandlers ist darauf zu achten, daß das Ausgangssignal des SCA100T ratiometrisch ist. Eine einfache Realisierung bietet hierzu der SX8724 der Fa. Semtech (Bild 1).

Der SX8724 ermöglicht eine einfache direkte Anbindung des SCA100T ohne externe Beschaltung. Er besteht aus einem internen elektronisch einstellbaren Vorverstärker (PGA -> Programmable Gain Amplifier) mit integriertem 16-Bit Sigma-Delta Wandler. Mit dem PGA kann das analoge Ausgangssignal des Sensors einfach auf den gewünschten Messbereich verstärkt werden, wobei die Offsetkompensation bis zum 15fachen Wert des Eingangssignals und die analoge Vorverstärkung zwischen 1 bis 1000 eingestellt werden kann. Dies vorverstärkte Sensorsignal wird nun mit dem 16-Bit AD-Wandler digitalisiert. Besonders erwähnenswert ist, daß die analoge Vorverstärkung und der 16-Bit A/D-Wandler ratiometrisch aufgebaut sind, so daß bei entsprechender Beschaltung des Sensors mit dem Sensorinterface Schwankungen der Versorgungsspannung kompensiert werden. Über die I2C-Schnittstelle des SX8724 wird der 16-Bit A/D-Wandler an einen Mikrokontroller übermittelt.

Bild 2: SCA100T-D02-DB verbunden mit dem SX8724 Evaluation-Board

In dem oben erwähnten Beispiel (Bild 1) ist das analoge Ausgangssignal auf die Eingänge AC3 und AC5 gelegt und Vref = Vbat am SX8724 geschaltet. Dies bedeutet, daß der REF MUX die selektierte Vdd als Referenz Spannung für den Programmable Gain Amplifier und des 16-Bit AD Wandlers  verwendet. Die mit den beiden 5k Widerstände erzeugte Vdd/2 dient als Common Mode für den Differential PGA und wird mit den Eingängen AC2 und AC4 des SX8724 verbunden. Somit ist der 1te Kanal ( AC2-AC3 ) als OUT_1 bestimmt und der 2te Kanal (AC4-AC5) als OUT_2 bestimmt. Dies bedeutet für unser System, daß der 16Bit AD Wandler Wert zwischen -32768 bis +32767 variieren kann. Die 2,5V am AC2 korrespondieren mit dem Common Mode. Ist der SCA100T mechanisch "genullt" beträgt sein Ausgangssignal OUT_1 2,5V und der differenzielle  Spannungswert zwischen AC3 (2,5V) und AC2 (2,5V) ist somit 0V und der er Ausgang des AD Wandler beträgt somit ebenfalls "0". Wenn nun der Ausgang OUT_1 je nach eingestellter Neigung zwischen 2,1V bis 2,9V (dies entspricht einer Neigung von ±11,5° des SCA100T-D02) variiert und am PGA ist eine Verstärkung von nur 5 eingestellt, variiert der Wert am ADC zwischen  -26214 bis +26214 über den Messbereich von ±11,5°. Analog verhält es sich mit dem zweiten Sensorsignal. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, sollte man unbedingt darauf achten, daß die Spannungsversorgung rauscharm aufgebaut ist und die Ausgangssignale OUT_1 und OUT_2 gemäß der Empfehlung des Herstellers VTI mit einer Filterschaltung versehen wird.

Mit dem präzisen SCA100T-D02 in Verbindung des SX8724 mit seiner einzigartigen ZoomingADC™-Technologie wird eine hohe Systemintegration bei gleichzeitiger Absenkung der Systemkosten erreicht. Ein nachgeschalteter Mikrokontroller kann die Sensorsignale leicht verarbeiten und ggf. über ein Bussystem an ein übergeordnetes Leitsystem übermitteln. Zur einfachen Umsetzung steht ein Evaluation-Kit (Bild 2) zur Verfügung. Das Evaluationboard des SX8724 besitzt ein USB Interface und ermöglicht so schnell eine einfache Umsetzung der Lösung.

 
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