Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схемы
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Файлы PADS
  • Сборочный чертеж
Загрузить файлы проектов 915 kB

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-CN0274-SDPZ ($58.85) Ultralow Power Standalone Motion Switch
  • EVAL-SDP-CS1Z ($57.67) Eval Control Board
Проверка наличия и приобретение

Особенности и преимущества

  • Ключ подачи питания на нагрузку при обнаружении движения
  • Программируемый рабочий диапазон
  • Сверхнизкое энергопотребление (300 нА в спящем режиме)
  • Идеально подходит для работы в устройствах с батарейным питанием

Функции и преимущества схемы

Сочетание компонентов, представленное на рисунке 1, представляет собой схему сверхмалопотребляющего ключа питания нагрузки, который замыкается при обнаружении движения от сигнала трехосевого акселерометра и управляет током нагрузки до 1,1 А. Данная схема идеально подходит для применения в устройствах, которые должны работать максимально долго на одном заряде батареи. Когда ключ разомкнут, потребляемый от батареи ток составляет менее 300 нА, а когда ключ замкнут, он потребляет меньше 3 мкА. Схема представляет собой современное решение с низким энергопотреблением для обнаружения движения, оптимальное для применения в беспроводных датчиках, измерительных устройствах, домашних медицинских приборах и других портативных устройствах.

Трехосевой акселерометр управляет включением ключа питания нагрузки, отслеживая ускорение по трем осям, при этом он замыкает или размыкает ключ в зависимости от наличия или отсутствия движения.

ADXL362 представляет собой трехосевой акселерометр со сверхнизким энергопотреблением, который потребляет менее 100 нА в режиме пробуждения. В отличие от акселерометров, в которых используются периоды включения для достижения низкого энергопотребления, ADXL362 не искажает входные сигналы из-за субдискретизации, он осуществляет непрерывную дискретизацию на всех скоростях передачи данных. Также данный акселерометр содержит встроенный 12-разрядный датчик температуры, работающий с точностью до ±0,5°.

ADXL362 обеспечивает разрешение выходного сигнала 12 бит и имеет три рабочих диапазона: ±2 g, ±4 g и ±8 g. Его диапазон рабочих температур составляет от -40 °C до +85 °C. При работе в устройствах, где желателен уровень шума менее 480 мкg/√Гц, можно выбрать любой из двух режимов, обеспечивающих меньший уровень шума (до 120 мкg/√Гц), при минимальном увеличении тока питания.

ADP195 представляет ключ питания нагрузки, рассчитанный на работу в диапазоне напряжений от 1,1 В до 3,6 В и имеющий защиту от обратного протекания тока в направлении от выхода к входу. Устройство содержит P-канальный полевой МОП-транзистор с низким сопротивлением в проводящем состоянии, который обеспечивает протекание постоянного тока нагрузки более 1,1 А и минимизирует потери мощности.

Рисунок 1. Автономный ключ питания нагрузки со сверхнизким энергопотреблением, замыкающийся при обнаружении движения
Рисунок 1. Автономный ключ питания нагрузки со сверхнизким энергопотреблением, замыкающийся при обнаружении движения (упрощенная схема: развязка и все соединения не показаны)


Принцип работы ADXL362


ADXL362 представляет собой трехосевую систему измерения ускорения со сверхнизким энергопотреблением, которая способна измерять динамическое ускорение (возникающее в результате движения или удара), а также статическое ускорение (то есть гравитацию).

Движущимся компонентом датчика является поликремниевая структура, представляющая собой прошедшую микрообработку поверхностную структуру, также называемую лучом, которая создана на кремниевой пластине. Пружины из поликремния удерживают структуру над поверхностью пластины и обеспечивают сопротивление силам ускорения.

Степень изгиба структуры измеряется с помощью дифференциальных конденсаторов. Каждый конденсатор состоит из независимых неподвижных пластин и пластин, прикрепленных к движущейся массе. Любое ускорение приводит к отклонению луча и разбалансировке дифференциального конденсатора, вследствие чего на выходе датчика генерируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна ускорению. Для определения величины и полярности ускорения используется фазочувствительная демодуляция.


Режимы работы


ADXL362 имеет три основных режима работы: режим ожидания, режим измерения и режим пробуждения:

  • Перевод ADXL362 в режим ожидания приостанавливает процесс измерения и снижает уровень потребления тока до 10 нА. Любые ожидающие обработки данные или прерывания сохраняются, однако новая информация в данном режиме не обрабатывается. В режиме ожидания на ADXL362 подается питание, при этом все функции датчика отключены.
  • Режим измерения представляет собой нормальный рабочий режим ADXL362. В этом режиме данные ускорения непрерывно считываются, и акселерометр потребляет менее 3 мкА при работе во всем диапазоне выходных скоростей данных до 400 Гц при напряжении питания 2,0 В. Все описанные функции доступны при работе в этом режиме. ADXL362 имеет специальную возможность непрерывно выводить данные с частотой от минимальной 12,5 Гц до максимальной 400 Гц, потребляя при этом ток менее 3 мкА, поскольку является акселерометром со сверхнизким энергопотреблением. Субдискретизация и наложение спектров не свойственны ADXL362, поскольку он непрерывно дискретизирует сигналы во всей полосе пропускания своего датчика на всех скоростях передачи данных.
  • Режим пробуждения идеально подходит для осуществления простого обнаружения движения (его присутствия или отсутствия) при чрезвычайно низком энергопотреблении (270 нА при напряжении питания 2,0 В). Режим пробуждения особенно полезен для реализации ключа, замыкаемого или размыкаемого при наличии или отсутствии движения, что позволяет остальную часть системы оставлять в отключенном состоянии до тех пор, пока не будет обнаружена какая-либо физическая активность. Режим пробуждения позволяет уменьшить потребление тока до очень низкого уровня, при этом обеспечивая измерение ускорения только 6 раз в секунду с целью определения наличия движения. В режиме пробуждения доступны все функции акселерометра, за исключением таймера активности. В данном режиме также имеется доступ ко всем регистрам, и от акселерометра можно получать данные в реальном времени.


В оценочном программном обеспечении CN0274 используется режим пробуждения ADXL362. То есть ADXL362 находится в спящем режиме, пока не обнаружит движение, и в этот момент он перейдет в режим измерения.


Баланс между энергопотреблением и шумовыми характеристиками


ADXL362 имеет несколько вариантов снижения шума за счет небольшого увеличения потребления тока.

Шумовые характеристики ADXL362 в нормальном режиме работы, составляющие, как правило, 7 младших значащих разрядов при работе с полосой пропускания 100 Гц, оптимальны для различных случаев применения в зависимости от полосы пропускания и желаемого разрешения. Для случаев, когда необходим более низкий уровень шума, ADXL362 имеет два режима работы, обеспечивающие снижение шума, но при этом повышается потребляемый ток.

Таблица 1. Соотношение шума и потребляемого тока ADXL362
Режим Шум (мкg/√Гц тип.) Потребление тока (мкА тип.)
Нормальный режим работы
380
2.7
Низкий уровень шума
280
4.5
Сверхнизкий уровень шума
175
15


В таблице 1 представлены значения потребляемого тока и плотности шума, полученные в нормальном режиме работы и в двух режимах, обеспечивающих низкие уровни шума при напряжении питания 3,3 В.

В оценочном программном обеспечении CN0274 используется нормальный режим работы ADXL362.


Обнаружение движения


ADXL362 имеет встроенную логическую цепь, которая определяет наличие физической активности (когда ускорение становится выше определенного порога) и состояние бездействия (т.е. отсутствие ускорения выше определенного порога).

Факт обнаружения события такой активности или бездействия отображается в регистре состояния и также может быть использован для генерации прерывания. Кроме того, статус активности устройства, то есть движется оно или остается неподвижным, отображается с помощью бита AWAKE.

Обнаружение активности и бездействия можно использовать, когда акселерометр находится либо в режиме измерения, либо в режиме пробуждения.


Обнаружение активности


Событие активности обнаруживается, когда ускорение остается выше указанного порога в течение указанного пользователем периода времени. Акселерометр может регистрировать два события обнаружения активности: абсолютное и опорное.

  • При абсолютном обнаружении активности дискретизированные значения ускорения сравниваются с пороговым значением, установленным пользователем, чтобы определить наличие движения. Например, если установлен порог 0,5 g, а ускорение по любой оси составляет 1 g дольше, чем время активности, заданное пользователем, статус наличия активности подтверждается. Во многих случаях применения предпочтительно, чтобы обнаружение активности основывалось не на абсолютном пороге, а на отклонении от опорной точки или ориентации. Это особенно полезно, поскольку устраняет влияние на процесс обнаружения активности статического ускорения свободного падения 1 g, вызванного действием силы тяжести. Когда акселерометр неподвижен, его выходной сигнал может достигать 1 g, даже когда он остается неподвижным на одном месте. При абсолютном обнаружении активности, если порог установлен менее 1 g, в этом случае активность обнаруживается немедленно.
  • При опорном обнаружении активности активность обнаруживается, когда дискретизированные значения ускорения поддерживаются, по крайней мере, равными заданному пользователем значению выше внутреннего опорного значения в течение заданного пользователем количества времени. Опорное значение рассчитывается при включенной функции обнаружения активности, и первое полученное дискретизированное значение (выборка) используется в качестве опорной точки. Активность обнаруживается только тогда, когда ускорение существенно отклоняется от этой начальной ориентации. Опорное обнаружение активности позволяет с очень высокой точностью обнаруживать события активности, что дает возможность выявлять даже самые незначительные движения.


Оценочное программное обеспечение CN0274 использует опорный режим работы при обнаружении активности.


Обнаружение бездействия


Событие бездействия обнаруживается, когда ускорение остается ниже определенного порога в течение определенного времени. Акселерометр может регистрировать два события обнаружения бездействия: абсолютное и опорное.

  • При абсолютном обнаружении бездействия дискретизированные значения ускорения сравниваются с пороговым значением, установленным пользователем, в течение заданного пользователем времени, чтобы определить отсутствие движения.
  • При опорном обнаружении бездействия дискретизированные значения ускорения сравниваются с определенным пользователем опорным значением в течение определенного пользователем периода времени. Когда компонент впервые переходит в состояние пробуждения, первое полученное дискретизированное значение (выборка) используется в качестве опорной точки, и относительно ее устанавливается порог. Если ускорение остается в пределах порогового значения, акселерометр переходит в состояние сна. Если значение ускорения выходит за пределы порогового значения, эта точка затем используется в качестве новой опорной точки, и пороговые значения теперь устанавливаются относительно этой новой точки.


Оценочное программное обеспечение CN0274 использует опорный режим работы при обнаружении бездействия.


Взаимосвязь обнаружения активности с обнаружением бездействия


Функции обнаружения активности и бездействия могут использоваться одновременно и обрабатываться самостоятельно хост-процессором, или их можно настроить для взаимодействия друг с другом несколькими способами:

  • В режиме по умолчанию включены функции обнаружения активности и бездействия, и все прерывания должны обрабатываться хост-процессором; то есть процессор должен прочитать значения при каждом прерывании, прежде чем оно будет очищено и может быть использовано снова.
  • В связанном режиме функции обнаружения активности и бездействия взаимосвязаны друг с другом, поэтому в любой момент времени может быть активна только одна из функций. Как только активность будет обнаружена, устройство будет считаться движущимся или активным, при этом процесс обнаружения активности завершится: в качестве следующего события ожидается бездействие, в связи с чем будет активирована только функция обнаружения бездействия. При обнаружении бездействия устройство будет считаться неподвижным или спящим. После этого в качестве следующего события будет предполагаться активность, в связи с чем активной будет только функция обнаружения активности. В данном режиме хост-процессор должен обрабатывать каждое прерывание, прежде чем будет разрешено следующее.
  • В циклическом режиме механизм обнаружения движения работает, как было описано выше в пункте, посвященном связанному режиму. Но в данном режиме не требуется, чтобы прерывания обрабатывались хост-процессором. Эта конфигурация упрощает реализацию обычно используемого механизма обнаружения движения и повышает энергоэффективность за счет снижения количества энергии, используемой для связи по шине.
  • При включении автоматического режима сна в связанном режиме или циклическом режиме устройство автоматически переходит в режим пробуждения при обнаружении бездействия и повторно входит в режим измерения при обнаружении активности.


В оценочном программном обеспечении CN0274 для демонстрации функциональности ADXL362 используются автоматический режим сна и циклический режим.


Бит AWAKE


Бит AWAKE является битом состояния, который указывает на то, в каком режиме находится ADXL362: активном или спящем. Устройство находится в активном режиме, когда оно обнаружило состояние активности, и устройство находится в спящем режиме, когда оно обнаружило состояние бездействия.

Сигнал пробуждения может быть выведен на линию INT1 или INT2 и, таким образом, может использоваться в качестве выхода состояния для подключения или отключения цепи питания к или от последующих схем в зависимости от состояния пробуждения акселерометра. Эта конфигурация, используемая в сочетании с циклическим режимом, позволяет реализовать простой автономный ключ, замыкаемый при обнаружении движения.

Если время включения последующей схемы является приемлемым, такой ключ, замыкаемый при обнаружении движения, может значительно сократить энергопотребление на уровне системы, благодаря устранению необходимости в потреблении тока остальной частью устройства в режиме ожидания. Такой ток в режиме ожидания зачастую может превышать полный рабочий ток ADXL362.


Прерывания


Некоторые из встроенных функций ADXL362 могут генерировать прерывания, чтобы предупреждать хост-процессор о переходе в определенные состояния.

Сигналы прерываний могут выводиться на любую (или обе) из двух специальных выходных линий INT1 и INT2, разрешение на это дается за счет установки соответствующих битов в регистрах INTMAP1 и INTMAP2. Все функции можно использовать одновременно. Если на один вывод назначено несколько прерываний, комбинация прерываний по ИЛИ будет определять состояние вывода.

Если на линию прерывания не назначены никакие функции, эта линия автоматически настраивается на работу в высокоимпедансном состоянии. Линии также переводятся в это состояние при сбросе.

При обнаружении определенного состояния линия, на которую назначено прерывание по обнаружению такого состояния, активируется. По умолчанию линии прерывания в активном состоянии выдают сигнал высокого логического уровня (логической единицы). Однако эту настройку можно изменить на активный низкий логический уровень (логический ноль на выходе), установив бит INT_LOW для определенной линии в соответствующем регистре INTMAP.

Оценочное программное обеспечение CN0274 настраивает ADXL362 таким образом, что при обнаружении активности на выходе линии INT1 будет присутствовать сигнал высокого логического уровня, а при обнаружении бездействия на линии INT1 будет присутствовать сигнал низкого логического уровня.


Результаты испытаний


Все испытания проводились с использованием плат EVAL-CN0274-SDPZ и EVAL-SDP-CS1Z.

Проверка функциональности испытуемого компонента осуществлялась при настройке порога обнаружения активности на 0,5 g, порога обнаружения бездействия на 0,75 g и количества выборок при бездействии на 20. При обнаружении активности, чтобы пересечь порог, требуется только одно дискретизированное значение ускорения по любой из осей.

Начальное положение схемы должно быть таким, чтобы аккумуляторная батарея прилегала к столу и печатную плату можно медленно повернуть на 90° в любом направлении, в результате чего ускорение будет пересекать пороговое значение по мере его приближения к исходной ориентации.

На рисунке 2 показан снимок экрана при работе оценочного программного обеспечения CN0274, когда ADXL362 изначально находится в режиме сна в ожидании активности. Затем, когда значение одиннадцатой выборки (11) пересекает пороговое значение, ADXL362 переходит в активное состояние и ожидает, когда возникнет состояние бездействия. Пороговые значения изменяются, что является свидетельством того, что устройство теперь ожидает бездействия.

Рисунок 2. Снимок экрана с выходными данными оценочного программного обеспечения
Рисунок 2. Снимок экрана с выходными данными оценочного программного обеспечения

Для лучшей наглядности графики значений ускорения по осям X и Z были отключены с помощью элементов переключения, расположенных над диаграммой.

Выходной сигнал ADP195 или сигнал на выходе самой линии прерывания измерялся с помощью цифрового мультиметра. Когда ADXL362 находится в активном состоянии, сигнал прерывания переходит в высокий логический уровень и переводит в высокий логический уровень линию EN ключа ADP195, который, в свою очередь, переводит в низкий логический уровень сигнал на затворе полевого МОП-транзистора, в результате чего ключ замыкается, подключая любую последующую схему к источнику питания. И наоборот, когда ADXL362 находится в спящем режиме, прерывание переводит сигнал на линии EN ключа ADP195 в низкий логический уровень, что, в свою очередь, переводит сигнал на затворе полевого МОП-транзистора в высокий логический уровень, приводя к размыканию ключа.


Советы по маршрутизации печатной платы


В любой схеме, где необходимо обеспечить высокую точность, важно учитывать расположение дорожек источника питания и контуров заземления на плате. На печатной плате цифровая и аналоговая части должны быть максимально изолированы друг от друга. Печатная плата для данной системы представляет собой 4-слойную плату со слоями заземляющей поверхности большой площади и областями питания. Для получения более подробной информации о маршрутизации и организации контуров заземления ознакомьтесь с руководством MT-031, а для получения информации о методах организации гальванической развязки ознакомьтесь также с руководством MT-031.

Источник, обеспечивающий питание ADXL362, следует гальванически развязать с помощью конденсаторов с емкостями 1 мкФ и 0,1 мкФ, чтобы должным образом подавить шум и уменьшить пульсации. Эти конденсаторы нужно установить как можно ближе к устройству. Для организации любой высокочастотной развязки рекомендуется использовать керамические конденсаторы.

Дорожки линий питания должны быть как можно шире, чтобы эти дорожки имели как можно меньший импеданс, при этом бы также уменьшилось влияние скачков напряжения на линии питания. Экранируйте линии передачи тактовых сигналов и другие линии передачи цифровых сигналов, характеризующихся быстрым переключением логических состояний, от других частей платы с помощью организации контуров заземления цифровой части схемы. Фотография печатной платы представлена на рисунке 3.

Полный пакет поддержки процесса разработки для этого руководства по схемотехническому проектированию можно найти на сайте www.analog.com/CN0274-DesignSupport.

Рисунок 3. Фотография платы EVAL-CN0274-SDPZ
Рисунок 3. Фотография платы EVAL-CN0274-SDPZ

Основные варианты исполнения

Максимальный непрерывный рабочий ток ADP195 фиксировано установлен на уровне 1,1 A. В случае применения в устройствах, в которых для питания последующих схем требуется более высокая мощность, вместо ADP195 можно использовать ключ с более высоким номинальным током.

Например, ADP197 , характеризующийся немного более высоким током покоя, превышающим ток покоя ADP195 примерно на 15 мкА, может обеспечить на выходе ток 3 А для последующих схем. В случае применения в устройствах, в которых для питания последующих схем требуется меньшая мощность, можно использовать ADP190 . Данный ключ может выдавать постоянный ток 500 мА и доступен в более компактном, чем у ADP195, корпусе WLCSP.

Вторым вариантом предлагаемого решения является создание системы обнаружения свободного падения. Эта функция может быть реализована с помощью прерывания по обнаружению бездействия. Когда объект находится в свободном падении, ускорение по всем осям составляет 0 g. Таким образом, обнаружение свободного падения реализуется посредством анализа по всем осям значений ускорения, которые будут поддерживаться ниже определенного порога (близкого к 0 g) в течение определенного периода времени.

ADXL362 работает в качестве детектора свободного падения с установленным порогом бездействия (от 300 мg до 600 мg) и временем бездействия (от 150 мс до 350 мс). Настройка регистра для обеспечения данных значений зависит от настройки g-диапазона устройства.

Оценка параметров и тестирование схемы

В этой схеме используется оценочная плата EVAL-SDP-CS1Z серии System Demonstration Platform (SDP) и плата EVAL-CN0274-SDPZ. Две платы имеют 120-контактные ответные разъемы, что позволяет быстро подключить эти платы друг к другу и приступить к оценке характеристик схемы.

Плата EVAL-CN0274-SDPZ содержит оцениваемую схему, которая рассмотрена в данном документе, а плата EVAL-SDP-CS1Z используется совместно с оценочным программным обеспечением CN0274 с целью сбора данных, поступаемых от платы EVAL-CN0274-SDPZ.

Поскольку для работы ADXL362 как в спящем, так и в активном состояниях, требуется относительно небольшое количество энергии, на плату EVAL-CN0274-SDPZ можно подавать питание от цифровых линий передачи данных, выходящих из EVAL-SDP-CS1Z.



Необходимое аппаратное обеспечение

  • ПК с портом USB и операционной системой Windows® XP или Windows Vista® (32-разрядная версия), или Windows® 7 (32-разрядная версия)
  • Оценочная плата EVAL-CN0274-SDPZ
  • Оценочная плата EVAL-SDP-CS1Z
  • Оценочное программное обеспечение CN0274
  • Источник питания с выходным напряжением 3,0 В или 2 батарейки ААА 


Начало работы

Загрузите оценочное программное обеспечение, вставив компакт-диск с оценочным программным обеспечением CN0274 в ПК. Зайдите в «Мой компьютер», найдите дисковод, в котором находится компакт-диск с оценочным программным обеспечением, и откройте файл Readme. Следуйте инструкциям, содержащимся в файле Readme, для установки и дальнейшего использования оценочного программного обеспечения.



Функциональная блок-схема

На рисунке 4 представлена блок-схема испытательной установки, а принципиальные схемы приведены в файле EVALCN0274-SDPZ-SCH-RevA.pdf. Этот файл имеется в пакете поддержки проектирования CN0274.

Рисунок 4. Блок-схема испытательной установки
Рисунок 4. Блок-схема испытательной установки


Настройка

Подключите 120-контактный разъем платы EVAL-CN0274-SDPZ к разъему платы EVAL-SDP-CS1Z. Используйте нейлоновые фиксаторы, чтобы надежно закрепить две платы, используя отверстия на концах 120-контактных разъемов.

При выключенном питании подключите источник питания с выходным напряжением 3,0 В к разъему J3. В качестве альтернативного варианта можно использовать расположенный в нижней части печатной платы разъем J2 для питания всей схемы от двух батареек AAA. Подключите USB-кабель, поставляемый в комплекте с EVAL-SDP-CS1Z, к USB-порту ПК. Примечание: в это время не подключайте кабель USB к разъему mini-USB, расположенному на плате SDP.



Испытания

Подайте питание на разъем J3 или вставьте батарейки в разъем J2, расположенный в нижней части платы (переместите перемычку J6 в левое положение для работы системы с батарейным питанием). Запустите оценочное программное обеспечение CN0274 и подключите кабель USB от ПК к разъему mini-USB, расположенному на плате EVAL-SDP-CS1Z.

После установки связи по USB плату EVAL-SDP-CS1Z можно использовать для отправки и получения последовательных данных с EVAL-CN0274-SDPZ.

Информацию о плате EVAL-SDP-CS1Z можно найти в руководстве пользователя SDP.

Подробную информацию о настройке и калибровке испытательной установки, а также о том, как использовать оценочное программное обеспечение для сбора данных, можно найти в файле Readme, расположенном по адресу: www.analog.com/CN0274-UserGuide.

Образцы

Оценочные платы

Цена указана за одну единицу.

Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.

Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.