고정밀 기울기/각도 감지 최적화:기준 성능 설정

이 시리즈의 1부에서는 3축 고정밀 MEMS 가속도계의 내부 구조를 검토했습니다. 이 두 번째 기사에서는 기본 성능을 설정하고 후속 데이터 분석에서 예상되는 노이즈 수준을 검증하기 위해 좋은 시작 데이터 세트를 얻는 방법을 검토합니다.

가속도계의 아날로그 출력은 데이터 분석을 위해 모든 아날로그 데이터 수집 시스템에 연결할 수 있지만 제조업체는 종종 기존 임베디드 시스템으로 쉽게 프로토타이핑할 수 있도록 고객 시스템에 직접 배치하도록 최적화된 평가 보드를 제공합니다. 이 기사의 설명을 위해 소형 폼 팩터 평가 보드 EVAL-ADXL35x가 사용되었습니다. 데이터 로깅 및 분석을 위해 EVAL-ADXL35x를 SDP-K1 마이크로 컨트롤러 보드에 연결하고 Mbed 환경을 사용하여 프로그래밍했습니다. Mbed는 ARM 기반 마이크로컨트롤러 보드를 위한 오픈 소스 및 무료 개발 환경입니다. 온라인 컴파일러가 있으며 개발자가 빠르게 시작할 수 있습니다. SDP-K1 보드를 PC에 연결하면 외장 드라이브로 표시됩니다. 보드를 프로그래밍하려면 컴파일러에서 생성한 바이너리 파일을 SDP-K1 드라이브로 끌어다 놓기만 하면 됩니다. ^{3, 4}

Mbed 시스템이 UART를 통해 데이터를 로깅하면 이제 가속도계 실험을 시도하고 데이터 로깅 및 추가 분석을 위해 출력을 간단한 터미널로 스트리밍하기 위한 기본 테스트 환경이 생겼습니다. 가속도계의 출력 데이터 속도에 관계없이 Mbed 코드는 2Hz에서 레지스터만 로깅한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이보다 빠른 로깅은 Mbed에서 가능하지만 이 문서의 범위를 벗어납니다.

좋은 시작 데이터 세트는 기본 성능을 설정하고 대부분의 후속 데이터 분석에서 예상되는 노이즈 수준을 검증하는 데 도움이 됩니다. PanaVise 굴절식 바이스 암 사용 ⁵ 흡착 컵 마운트가 있어 유리 작업 표면에 달라붙기 때문에 벤치 설정에서 합리적으로 안정적인 작업 표면을 허용합니다. ADXL355 보드(측면에서 고정)는 이 구성에서 랩 벤치탑만큼 안정적입니다. 고급 고급 사용자는 이 바이스 마운트가 기울어지는 움직임의 위험이 있음을 알 수 있지만 중력과 관련하여 방향을 변경할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 방법입니다. 그림 1과 같이 ADXL355 보드를 마운트에 배치하면 첫 번째 분석을 위해 60초 동안의 데이터 세트가 캡처됩니다.

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그림 2. EVAL-ADXL35x, SDP-K1 및 PanaVise 마운트를 사용한 테스트 설정. (출처:Analog Devices)

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그림 2. 저역 통과 필터가 없는 ADXL355 데이터(레지스터 0x28=0x00), 1분 이상 소요됨. (출처:Analog Devices)

120개의 데이터 포인트를 취하고 표준 편차를 측정하면 800μg 범위의 노이즈가 나타납니다. ~ 1.1mg . 데이터 시트의 ADXL355 일반 성능 사양에서 노이즈 밀도가 25µg로 나열된 것을 볼 수 있습니다. /√Hz. 기본 LPF(저역 통과 필터) 설정에서 가속도계의 대역폭은 약 1000Hz입니다. 소음은 25µg가 될 것으로 예상됩니다. /√Hz × √1000Hz =791μg rms, 벽돌 벽 필터를 가정합니다. 이 첫 번째 데이터 세트는 첫 번째 스니프 테스트를 통과합니다. 정확하려면 잡음 스펙트럼 밀도에서 rms 잡음으로의 변환은 디지털 LPF에 무한 롤오프(즉, 벽돌 벽 필터)가 없다는 사실을 나타내는 요소가 있어야 합니다. 일부는 단순한 RC 단극 20dB/10년 롤오프에 1.6배 계수를 사용하지만 ADXL355 디지털 저역 통과 필터는 단극 RC 필터가 아닙니다. 어쨌든 1과 1.6 사이의 계수를 가정하면 최소한 소음 기대치에 대한 올바른 근사값을 얻을 수 있습니다.

많은 정밀 감지 애플리케이션에서 1000Hz는 측정되는 신호에 비해 너무 넓은 대역폭입니다. 대역폭과 잡음 사이의 거래 공간을 최적화하기 위해 ADXL355에는 온보드 디지털 저역 통과 필터가 있습니다. 다음 테스트를 위해 LPF를 4Hz로 설정했는데, 이는 √1000/√4 ≈ 16의 인수만큼 노이즈의 순 감소를 가져야 합니다. 이것은 그림 3에 표시된 간단한 구조를 사용하여 Mbed 환경에서 간단하게 수행됩니다. , 데이터는 그림 4에 나와 있습니다. ⁶ 필터링 후 노이즈는 예상대로 눈에 띄게 떨어졌습니다. 이는 아래 표 1에 나와 있습니다.

그림 3. 레지스터 구성을 위한 Mbed 코드. (출처:Analog Devices)

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그림 4. LPF가 4Hz(레지스터 0x28=0x08)로 설정된 ADXL355 데이터, 1분 이상 소요됨. (출처:Analog Devices)

표 1. ADXL355의 예상 및 측정된 노이즈(출처:Analog Devices)

노이즈XYZ이론적
(μg)측정값
(μg)이론값
(μg)측정값
(μg)이론값
(μg)측정값
(μg)필터 없음79192379111397918054 Hz 필터5058501855063

표 1은 현재 설정에서 y축의 노이즈가 이론상 예상보다 높음을 보여줍니다. 가능한 원인을 조사한 후 추가 랩톱 및 기타 실험실 장비 팬 진동이 y축에서 소음으로 나타날 가능성이 있음을 확인했습니다. 이를 테스트하기 위해 바이스를 회전하여 x축을 이 테스트의 y축 위치에 배치하고 더 높은 노이즈 축이 x축으로 이동했습니다. 그러면 축 간의 노이즈 차이는 계측 노이즈로 나타나며 가속도계의 축에 걸친 노이즈 레벨의 본질적인 차이가 아닙니다. 이러한 유형의 테스트는 효과적으로 저잡음 가속도계에 대한 "Hello World" 테스트이므로 추가 테스트에 대한 확신을 줍니다.

열충격이 ADXL355에 미치는 영향을 알아보기 위해 열풍총을 사용했습니다. ⁷ 가속도계에 열 응력을 적용하기 위해 더 시원한 공기 모드(실제로 실온보다 몇 도 높음)로 설정합니다. 온도는 ADXL355의 온보드 온도 센서를 사용하여 기록됩니다. 실험에서는 바이스를 사용하여 ADXL355를 수직으로 배치하여 에어건이 패키지 상단에서 공기를 날릴 수 있도록 했습니다. 이 실험의 예상되는 결과는 오프셋의 온도 계수가 다이가 가열될 때 표시되지만 차등 열 응력은 거의 즉시 나타날 것이라는 것입니다. 다시 말해, 감지의 개별 축이 차등 열 응력에 민감한 경우 가속도계 출력에서 ​​범프가 나타날 것으로 예상됩니다. 조용할 때 데이터에서 평균값을 제거하면 세 축을 동시에 쉽게 비교할 수 있습니다. 결과는 그림 5에 나와 있습니다.

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그림 5. 냉각 설정에서 열풍총을 사용한 ADXL355 열충격 데이터. (출처:Analog Devices)

그림 5에서 볼 수 있듯이 에어건은 환경에 대해 완전히 밀봉된 세라믹 패키지에 약간 더 따뜻한 공기를 불어넣고 있었습니다. 결과적으로 ~1500μg z축 이동, y축 이동의 훨씬 적은 양(~100 µg ), 그리고 x축에 거의 이동이 없습니다. 많은 최종 고객 제품에는 차등 열 응력을 분산시키는 PCB 상단에 일부 인클로저가 있지만 이 간단한 테스트에서 볼 수 있듯이 오프셋 오류로 나타날 수 있는 이러한 유형의 빠른 과도 응력을 고려하는 것이 중요합니다.

그림 6은 열풍총이 차단될 때 반대 극성 효과를 보여줍니다.

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그림 6. t =240초에서 공기총이 차단되는 ADXL355 열 충격. (출처:Analog Devices)

이 효과는 에어건이 가열된 환경에서 사용될 때 더욱 두드러집니다. 즉, 온도 충격의 크기가 더 클 때입니다. Weller 에어건의 출력은 ~400°C 정도이므로 과열이나 열충격으로 인한 손상을 방지하기 위해 멀리 떨어져 적용하는 것이 중요합니다. 이 테스트에서 뜨거운 공기는 ADXL355에서 약 15cm로 날아갔고, 그 결과 그림 7과 같이 ~40°C의 거의 즉각적인 온도 충격이 발생했습니다.

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그림 7. 열풍총을 사용한 ADXL355 열충격. (출처:Analog Devices)

열충격의 양은 꽤 강하지만 이 실험에서 z축이 x, y축보다 얼마나 빠르게 반응하는지 보는 것은 여전히 ​​놀랍습니다. 데이터 시트의 오프셋 온도 계수를 사용하고 온도가 40°C 변하면 약 100 µg가 관찰될 것으로 예상됩니다. /°C × 40°C =4mg x 및 y 축이 결국 표시하기 시작하는 시프트. 그러나 거의 즉각적인 10mg z축의 이동은 이것이 온도로 인한 오프셋 이동이 아니라 처리되고 있는 다른 효과임을 보여줍니다. 이것은 센서의 차등 열 응력/변형률의 결과이며 이 기사의 앞부분에서 설명한 것처럼 이 센서가 x 및 y보다 차등 응력에 더 민감하기 때문에 z축에서 가장 분명하게 나타납니다.

ADXL355 오프셋의 일반적인 온도 계수(offset tempco)는 ±100 µg로 지정됩니다. /°C 데이터 시트. 오프셋 온도는 오븐의 가속도계로 측정되므로 여기에서 사용된 테스트 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 오븐은 센서의 온도 범위를 통해 천천히 램프되고 오프셋의 기울기가 측정됩니다. 대표적인 예가 그림 8에 나와 있습니다.

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그림 8. ADXL355의 오븐 기반 온도 특성. (출처:Analog Devices)

이 플롯에는 두 가지 효과가 있습니다. 하나는 데이터 시트에서 특성화되고 문서화된 오프셋 tempco입니다. 이것은 오븐이 온도를 5°C/min으로 올리지만 담금 시간이 없기 때문에 –45°C ~ +120°C의 많은 부품의 평균값으로 해석될 수 있습니다. 이는 그림 9와 유사한 플롯에서 파생되며 약 18mg 165°C 이상 또는 약 109 µg /°C, 100 µg의 일반적인 값을 약간 벗어남 /°C, 그러나 데이터 시트에 지정된 최소 및 최대 범위 내. 그러나 장치가 약 15분 동안 120°C에서 계속 담그기 때문에 그림 9의 오른쪽을 고려하십시오. 장치가 뜨거운 온도에 놓이면 오프셋 시프트의 실제 양이 감소하고 향상됩니다. 이 경우 평균값은 10mg에 가깝습니다. 165°C 이상 또는 약 60 µg /°C 오프셋 온도. 두 번째 효과는 센서 프루프 매스가 전체 실리콘 장치에 걸쳐 온도에서 안정화되고 스트레스가 감소함에 따라 차등 열 스트레스입니다. 이것은 그림 6에서 그림 8에 표시된 에어건 테스트에서 볼 수 있는 효과이며 이 효과가 데이터 시트에 나열된 장기 오프셋 tempcos보다 더 빠른 시간 규모에서 작동한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 이는 전반적인 열 역학으로 인해 램프가 5°C/min보다 훨씬 느린 많은 시스템에 유용할 수 있습니다.

이 시리즈의 3부에서는 안정성에 영향을 미치는 다른 사실을 살펴보고 3축 고정밀 MEMS 가속도계의 전체 성능을 개선하기 위한 기계 시스템 설계 권장 사항을 제공합니다.

참조

¹ 크리스 머피. "응용 분야에 가장 적합한 MEM 가속도계 선택 - 1부." 아날로그 대화, Vol. 51, 4번, 2017년 10월.

² 크리스 머피. "온도와 진동이 있는 상태에서 가속도계 기울기 측정." 아날로그 대화, 2017년 8월.

³ SDP-K1 평가 시스템. Analog Devices, Inc.

⁴ Mbed:SDP-K1 사용자 가이드. Analog Devices, Inc.

⁵ PanaVise 굴절식 암 마운트. 파나비즈.

⁶ 엠베드 코드. Analog Devices, Inc.

⁷ Weller 6966C 가열/냉각 공기총. 웰러.

⁸ 파릴렌. 위키피디아.