СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2013

В ВЕДЕНИЕ По оценкам специалистов, одним из приоритетных направлений развития аналоговых ИС является разработка и серийное изготовление специализи рованных ИС для электронных преоб разователей физических величин и средств измерений на основе: ● фотоприёмников импульсного оп тического излучения; ● детекторов частиц и ионизирующих излучений; ● чувствительных элементов ёмкост ного, пьезоэлектрического и резис тивного типов. Рыночная ниша для такой продук ции имеется в космическом прибо ростроении, ядерной электронике, ме дицинской технике и аппаратуре для мониторинга окружающей среды [1]. Актуальность создания микроэлек тронных интерфейсов датчиков сти мулировала проведение работ по проектированию, изготовлению и ис пытаниям специализированных ана логовых ИС, в том числе радиацион но стойких, для датчиков различных типов [1–5]. Целью настоящей статьи является формулирование основных требова ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2013 ний к микроэлектронным интерфей сам датчиков, изучение особенностей схемотехнических решений и пара метров серийно выпускаемых ИС для обработки сигналов датчиков. О БЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИНТЕРФЕЙСАМ ДАТЧИКОВ В действующих ГОСТ [6, 7] и научно технических документах по метроло гии [8, 9] некоторые терминыи опреде ления, касающиеся датчиков и их па раметров, в той или иной степени отличаются. В основномнормативном документе РМГ 29 99 [9] датчиком на зывают конструктивно обособленный первичный измерительный преобра зователь, от которого поступают сиг налы измерительной информации. Необходимо различать термины «датчик» и «чувствительный элемент», под которым понимают часть измери тельного преобразователя, восприни мающую входную величину [9]. В зару бежной литературе обычно датчик и чувствительный элемент обозначают одним термином sensor, а отсутствие в чувствительном элементе выходного электрического сигнала уточняют ука занием на: ● вид изменяемого электрического па раметра (capacitive sensor – чувстви тельный элемент, в котором под действием внешнего воздействия из меняется ёмкость; resistive sensor – чувствительный элемент с измене нием сопротивления при внешнем воздействии); ● отсутствие источника смещения/пи тания (unbiased capacitive sensor – ёмкостный чувствительный элемент без источника смещения/питания). Для упрощения понимания струк турных и электрических схем зару бежных интерфейсов далее будут использоваться наиболее употребляе мые в зарубежной научно техничес кой информации термины, в том чис ле [10, 11]: ● пассивный датчик – датчик, который не нуждается в дополнительном ис точнике энергии; он преобразует энергию внешнего сигнала в выход ной сигнал (термопары, фотодиоды, пьезоэлектрические чувствительные элементы); ● активный (параметрический) дат чик – датчик, для работы которого требуется внешняя энергия, называ емая сигналом возбуждения (drive signal); ● датчик с выходным сигналом в виде напряжения (Voltage Sensor), тока (Current Sensor) или заряда (Charge Sensor); ● чувствительные элементы, в кото рых внешнее воздействие изменяет электрическую ёмкость (Capacitive Sensor) или сопротивление (Resistive Sensor). Основные параметры датчиков опи сываются передаточнойфункцией (см. рис. 1), которая устанавливает взаи мосвязь S = f ( s ) между выходным элек трическим сигналом ( S ) и внешним воздействием ( s ). Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной. Одномерную линейную функцию (связывающую выходной сигнал толь ко с одним внешним воздействием) можно представить в виде [10]: S = a + bs , (1) где a – постоянная составляющая, b – наклон (чувствительность), S – харак теристика электрического сигнала (напряжения, тока, заряда), которую системы сбора данных воспринимают в качестве выходного сигнала датчика (амплитуда, частота, фаза). Передаточная функция также опи сывает параметры чувствительных элементов при наличии сигнала воз буждения, например, выходной сигнал S S MIN Постоянный уровень выходного сигнала S MAX S Полный диапазон выходных значений Диапазон выходных значений Рис. 1. Передаточная функция датчика Особенности аналоговых интерфейсов датчиков Часть 1 Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Ростовская обл.) В статье сформулированы основные требования к микроэлектронным интерфейсам датчиков, приведены схемотехнические решения и параметры серийно выпускаемых ИС для обработки сигналов датчиков.