Обзор существующих микросхем, применяемых для разработки и производства датчиков физических величин

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МИКРОСХЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И ПРОИЗВОДСТВА ДАТЧИКОВ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 1 2 Архипов В.В. , Косолапов М.А.

1Архипов Владислав Валерьевич - аспирант; 2Косолапов Михаил Александрович - аспирант, Институт микроприборов и систем управления Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», г. Москва

Аннотация: проведен сравнительный обзор с отечественными и иностранными микросхемами обработки входного аналогового сигнала, несущего информацию об измеряемой физической величине.

Ключевые слова: обработка входного сигнала, прецизионные датчики давления и температуры.

Для исследования характеристик датчиков давления и температуры рассмотрим микросхему 1913ВА025, которая предназначена для обработки входного аналогового сигнала, несущего информацию об измеряемой физической величине, усиления и оцифровки. Затем осуществляется пересчет полученного значения в соответствии с коэффициентами, записанными в память микросхемы при калибровке. В зависимости от формы выходного сигнала происходит разделение на датчики с цифровым и аналоговым выходом. Микросхема 1913ВА025 используется при разработке и производстве датчиков давления, температур, работающих в составе ВТ.

Разрабатываемые в настоящее время прецизионные датчики давления позволят обеспечить высокую точность измерения, в том числе на начальном участке рабочего диапазона, долговременную стабильность калибровочных характеристик, высокое быстродействие, широкий диапазон измерения входных сигналов, современные цифровые интерфейсы.

Микросхема 1913ВА025 обеспечивает:

- обработку данных, получаемых от резистивного сенсора деформации установленного на мембране датчика;

- обработку данных от встроенного сенсора температуры;

- усиление сигнала от резистивного сенсора деформации аналоговым усилителем с задаваемым при калибровке коэффициентом усиления;

- аналогово-цифровое преобразование сигнала с выхода аналогового усилителя сигнала резистивного сенсора деформации;

- аналогово-цифровое преобразование сигнала встроенного сенсора температуры;

- цифро-аналоговое преобразование кондиционированного сигнала давления и выдачу соответствующего аналогового сигнала.

Анализ применяемых в настоящее время в аппаратуре микросхем иностранного производства

Для создания датчиков давления и температуры аппаратуры ВВСТ применяются различные конструктивные и схемные решения. Широко распространены датчики с резистивным чувствительным элементом, такие датчики называют дифференциально-емкостными. Мембраны устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. При давлении на мембрану она изгибается и изгибает мембрану, закрепленную на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи. Так же применяются пьезоэлектрические, пьезорезонансные датчики.

Анализ применения в изделиях ВВСТ используемых датчиков показал, что востребованы микросхемы сбора и предварительной обработки аналоговых сигналов, имеющие ядро с RISC архитектурой, АЦП не менее 16 бит, аналоговый и цифровой выходы.

Из зарубежных микросхем для датчиков давления и температуры наиболее широко применяется продукция фирмы IDT(ZMDI) -ZSC31050.

В качестве аналогов используемой в настоящей работе микросхемы 1913ВА025 рассмотрим следующие микросхемы иностранного производства: MSP430F169 [1], ADUC848 [2], ZSC31050 [3], которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение микросхемы 1913ВА025 и зарубежных аналогов

Наименование параметра Изготовитель/изделие Единица измерени я

АО "ЗНТЦ" 1913ВА025 «Texas Instruments» MSP430F169 «Analog Devices» ADUC848 «IDT» (ZMDI) ZSC31050

1 2 3 4 5 6

Разрядность 16 16 16 16 —

Архитектура RISC RISC RISC RISC —

Объем ППЗУ 32 60 62 — Кбайт

Объем ОЗУ 2 2 2 — Кбайт

Интерфейсы UART SPI 1-wire TWI (I2C) CAN 2.0B DEBUG UART (2шт) I2C UART SPI I2C I2C SPI ZACwire 4-20 mA —

Тактовая частота Внутренний RC генератор - 6 Внешний кварцевый резонатор - от 2 до 8 от 0 до 8 от 0 до 12,58 до 4 МГц

АЦП - 4 канала (2 АЦП по 2 канала) SAR - 8 каналов - 1 канал 1 канал —

Разрядность АЦП 18 12 16 15 бит

ЦАП 1 - с потенциальным и токовым выходом 2 - с потенциальный выход 2 - с потенциальный выход 1- с потенциальным и токовым выходом

Разрядность ЦАП 12 12 12 11 бит

Выходные уровни ЦАП 0-2,4 от Vcc-0,05 до Vcc 0-Uref 0-5 В

Таймеры 2 по 16 разрядов 2 по 16 разрядов 3 по 16 разрядов — —

ШИМ 2 канала — 2 канала 1 канал —

Датчик температуры (встроенный) + + + + —

Математически й сопроцессор + — — — —

Сторожевой таймер + + + + —

Напряжение питания от 2,7 до 3,6 от 4,0 до 40,0 (при работе от внутреннего LDO через внешний транзистор) от 1,8 до 3,6 от 3 до 5 от 2,7 до 5,5 от 5,0 до 48,0 (при работе от внутреннего LDO через внешний транзистор) В

Ток потребления Не более 5 (при fACLK=1 МГц) 0,28 4,8 (при fACLK=1,57M^) Не более 4 мА

Изготовитель/изделие Единица измерени я

Наименование параметра АО "ЗНТЦ" 1913ВА025 «Texas Instruments» MSP430F169 «Analog Devices» ADUC848 «IDT» (ZMDI) ZSC31050

1 2 3 4 5 6

Встроенный источник тока от 0,04 до 1,2 - 0,2 2,75 мА

Рабочие от минус 60 до от минус 45 до от минус 40 до от минус 40 до °С

температуры плюс 150 плюс 85 плюс 125 плюс 150

Корпус Н16.48-1В (14,2x14,2) 5123.28-1 (6,5x6,5) QFN-64 (9,1 x 9,1) 52-lead MQFP (14x14 ) 16-SSOP (ширина 5,3 ) мм

По результатам сравнительного анализа микросхемы аналоги (зарубежные) имеют схожую с микросхемой 1913ВА025 архитектуру ядра и разрядность. Микросхемой 1913ВА025 имеет наибольшую разрядность АЦП, а также обладает более широким набором интерфейсов, что позволяет применять ее в различных системах. Преимуществом является более широкий, по сравнению с аналогами, диапазон рабочих температур, а также наличие встроенного программируемого источника тока, что позволяет работать с датчиками, имеющими широкий диапазон сопротивлений моста.

Анализ применяемых в настоящее время в аппаратуре микросхем отечественного производства.

В качестве аналогов микросхемы 1913ВА025 рассмотрим микросхемы отечественного производства. Основные параметры микросхемы 1913ВА025 и отечественных аналогов 1986ВЕ4У [4], 1874ВЕ36 [5] приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение микросхемы 1913ВА025 и отечественных аналогов

Наименовани е параметра Изготовитель/изделие Едини ца измер ения

АО "ЗНТЦ" 1913ВА025 АО"ПКК Миландр" 1986ВЕ4У ОАО"НИИЭТ" 1874ВЕ36

1 2 3 4 5

Разрядность 16 32 16 —

Архитектура RISC RISC —

Объем ППЗУ 32 128 64 Кбайт

Объем ОЗУ 2048 16384 232 байт

1 2 3 4 5

Интерфейсы UART SPI 1-wire TWI (I2C) CAN 2.0B DEBUG UART (2шт) SPI Один синхронный Два асинхронных режима работы последовательного порта

Тактовая частота Внутренний RC генератор - 6 Внешний кварцевый резонатор - от 2 до 8 Не более 36 от 3,5 до 20,0 МГц

АЦП - 4 канала (2 АЦП по 2 канала, мультиплексирование) ХД до 8 каналов SAR до 8 каналов 8 каналов

Разрядность АЦП 18 ХД - 24 SAR - 12 10 бит

ЦАП 1 - с потенциальным и токовым выходом 1- потенциальный выход -

Разрядность ЦАП 12 12 - бит

Выходные уровни ЦАП от 0 до 2,4 от 0,08 до Uref-0,08 - В

Таймеры 2 по 16 разрядов 2 по 16 разрядов 2 по 16 разрядов —

Изготовитель/изделие Едини

Наименовани е параметра АО "ЗНТЦ" 1913ВА025 АО"ПКК Миландр" 1986ВЕ4У ОАО"НИИЭТ" 1874ВЕ36 ца измер ения

1 2 3 4 5

ШИМ 2 канала 4 канала 1 канал —

Датчик температуры + + — —

Математически +

й сопроцессор

Сторожевойтай + + +

мер

Встроенный источник тока от 0,04 до 1,20 — — мА

от 2,7 до 3,6; от 4 до

Напряжение питания 40 (при работе от внутреннего LDO через внешний транзистор) 2.2 - 3.6 5 В

100

Ток потребления 5, не более (при fACLK=1 МГц) 21, не более (динамический ток потребления) (первый источник питания) 10 (второй источник питания) мА

Рабочие от минус 60 до от минус 60 до от минус 60 до плюс °С

температуры плюс 150 плюс 125 85

Размер кристалла 3x3 5,7x6,4 7,84x6,74 мм2

Н18.64-1В

Корпус Н16.48-1В

По результатам сравнительного анализа микросхемы аналоги (отечественные) имеют схожую с микросхемой 1913ВА025 архитектуру ядра и разрядность. Микросхема 1913ВА025 единственная имеет в составе встроенный источник тока, что позволяет обеспечить ратиометрическое измерение, так как АЦП, ЦАП и источник тока запитаны от одного источника опорного напряжения. Также микросхема 1913ВА025 обладает самым низким энергопотреблением и более широким, по сравнению с аналогами, набором интерфейсов. Одним из преимуществ является наличие специализированного встроенного программного обеспечения (по аналогии с ZSC31050), которое работает в совокупности с программным обеспечением, устанавливаемым на персональный компьютер, и позволяет проводить настройку и калибровку микросхемы 1913ВА025, а также обработку и нормализацию данных.

Список литературы

1. Texas Instruments. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/product/MSP430F169/technicaldocuments—16-bit Ultra-Low-Power MCU, 60kB Flash, 2048B RAM, 12-Bit ADC, Dual DAC, 2 USART, I2C, HW Mult, DMA/ (дата обращения: 20.12.2019).

2. Analog Devices. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.analog.com/en/products/processors-dsp/microcontrollers/8052-core-products/aduc848.html#product-overview — MicroConverter Multichannel 24-/16-Bit ADCs with Embedded 62 kB Flash and Single-Cycle MCU/(дата обращения: 20.12.2019).

3. Integrated Device Technology. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.idt.com/products/sensor-products/sensor-signal-conditioners/zsc31050-advanced-differential-sensor-signal-conditioner-multiple-output-options—Advanced Differential Sensor Signal Conditioner with Multiple Output Options/ (дата обращения: 20.12.2019).

4. АО "ПКК Миландр". [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://milandr.ru/index.php?mact=Products,cntnt01,details,0&cntnt01productid=275&cn tnt01returnid=68 Разработка Центра Проектирования российской компании ЗАО "ПКК Миландр" - 32-разрядный RISC-микроконтроллер с 8-канальным 24-разрядным АЦП/

5. ОАО "НИИЭТ". [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.niiet.ru/chips?id=159 — 16-разрядный микроконтроллер с масочным ПЗУ/ (дата обращения: 20.12.2019).

ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В СООТВЕТСТВИИ С Р 50.1.109-2016 «ПОЛИТИКА ИЛАК В ОТНОШЕНИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИ КАЛИБРОВКАХ» Кукушкин А.В.

Кукушкин Антон Викторович - магистрант, кафедра информационно-измерительной и биомедицинской техники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина, г. Рязань

Аннотация: организации, проводящие калибровку на территории Российской Федерации, должны использовать типовые методики калибровки согласно ГОСТ ИСО/МЭК 17025 и отвечать потребностям заказчиков. При разработке типовых методик калибровки необходимо учитывать метрологические характеристики средств измерений, распространять методики на одну, несколько групп и типов средств измерений, в результате этого все организации, проводящие калибровку, будут иметь достаточную информацию о том, как проводить калибровку, и не будет необходимости в дополнениях.

Ключевые слова: калибровка, расчет неопределенности, методика калибровки.

УДК 006.91

Международный словарь по метрологии: основные и общие понятия и соответствующие термины дает определение понятию калибровка. Согласно ему калибровка - операция, в ходе которой при заданных условиях на первом этапе устанавливают соотношение между значениями величин с неопределенностями измерений, которые обеспечивают эталоны, и соответствующими показаниями с присущими им неопределенностями, а на втором этапе на основе этой информации устанавливают соотношение, позволяющее получать результат измерения исходя из показания. Из этого определения видно, как используется неопределенность измерений. То есть, конечный результат измерений получается с учетом неопределенности. Таким образом, именно определение и использование неопределенности измерений позволяет повышать точность измерений.

В соответствии пунктом 4.2 Р 50.1.109-2016 «Рекомендации по стандартизации. Политика ИЛАК в отношении неопределенности при калибровках» калибровочные лаборатории должны оценивать неопределенность измерения в соответствии с «Руководством по выражению неопределенности измерений» (GUM).