SCA100T中文说明书.docx

SCA100T双轴倾角传感器系列SCA100T系列是基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片，它提供了水平测量仪表级别的性能。双轴高精度倾角传感器芯片的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行，并且传感器双轴需相互垂直。弱的温度依赖性、高分辨率、低噪声和健全的传感元件设计让SCA100T-D01、SCA100T-D02高精度双轴倾角传感器芯片成为水平测量仪器的不二选择。VTI的倾角传感器对于高频振动不灵敏，因为他们都在传感元件内部增加了阻尼，并且能承受高达20000g的机械冲击力。特征l 双轴倾角测量（X轴、Y轴）l 测量范围 30 SCA100T-D0190 SCA100T-D02l 分辨率0.0025(10 Hz BW, 模拟输出)l 传感元件的过阻尼的频率响应控制(-3dB 18Hz)l 稳健设计，高冲击性（20000g）l 全温区、长期保持高稳定性l 5V直流供电l 模拟电压输出l SPI角度和温度输出l 多种失败检测功能n 通过检测传感器的静电场力进行自我检测n 传感器故障检测n 内存校验l 通过无铅认证l 无铅回流焊工艺应用l 平台调平和稳定l 360垂直定向测量l 仪器调平l 构造层次图1、功能框图目录1. 电气特性11.1 绝对的最大等级11.2 特征参数11.3 电气特性21.4 SPI接口的直流特性21.5 SPI接口AC特性21.6 SPI接口时序21.7 引脚配置31.8 典型工作特性41.8.1 外部补偿52. 功能描述72.1 测量方向72.2 电压到角度转换72.3 公制的输出比率82.4 SPI 串行接口82.5 数字量转换到角度112.6 自测与故障检测模式122.7 温度测量133. 应用信息133.1 推荐原理图和印刷图133.2 推荐PCB 库元件封装尺寸144. 机械规格与回流焊接154.1 机械规格 (仅供参考)154.2 焊接有关155. 文件变化166. 联系信息161. 电气特性SCA100T产品系列包括两个型号，SCA100T-D01 和 SCA100T-D02，区别在于其测量范围，其他技术指标都是一样的，下表列出的是SCA100T具体技术指标。1.1 绝对的最大等级 VDD电压-0.3V 至+5.5VI/O引脚电压-0.3V至(VDD + 0.3V)保存温度-55C至+125C操作温度-40C至+125C机械冲击从1米高处跌落到混凝土表面（20000g），供电或无动力1.2 特征参数参数环境SCA100T-D01SCA100T-D02单位测量范围标称300.5901.0g响应频率（带宽）3dB LP(18-288-28Hz0g偏移量模拟输出成比例输出Vdd/2Vdd/2V偏移量校准误差0.110.230g偏移量数字输出10241024LSB模拟量输出灵敏度0-1时(2 470235V/gmV/灵敏度校准误差0.50.5%数字量输出灵敏度1638819LSB / g温度引起的角度偏移-25-85C (标准)-40-125C (最大)0.0080.860.0080.86/C温度引起的灵敏度偏移-25-85C (标准)-40-125C (最大)0.014-2.5- +10.014-2.5- +1%/C%典型的非直线性满量程M0.110.57数字输出协议0-1时(2110.035110.07Bits/ LSB输出噪音密度DC-100Hz0.00080.0008/Hz模拟量输出分辨率带宽10Hz(30.00250.0025公制误差比率Vdd = 4.75-5.25V11%正交敏感最大44%长期稳定性(40.014 -1mAVOHVdd-0.5V输出低电平I 1 mAVOL0.5V三态泄露0 VMISO VddILEAK5100pA1.5 SPI接口AC特性参数条件最小值标准值最大值单位输出负荷500kHz1nFSPI时钟频率500kHz内部A/D转换时间150s数据移动时间500kHz38s1.6 SPI接口时序参数条件符号最小值标准值最大值单位CSB、SCK端口从CSB计时（10%）到SCK（90%）TLS1120ns从SCK计时（10%）到CSB（90%）TLS2120nsSCK端SCK低电平时间负荷容量MISO2 nFTCL1sSCK高电平时间负荷容量MISO2 nFTCH1sMOSI、SCK端口MOSI(10%,90%)到 SCK(90%)的时间数据装备时间TSET30nsSCK(90%)变更到MOSI(10%,90%)的时间数据把握时间THOL30nsMISO、CSB端口CSB (10%)变更到稳定MISO (10%, 90%)的时间负荷容量MISO15pFTVAL110100nsCSB (90%) 变更到MISO高阻状态的时间负荷容量MISO15pFTLZ10100nsMISO, SCK端口SCK (10%) 变更到稳定MISO (10%, 90%)的时间负荷容量MISO VOUT =2.5V VOUT图8 SCA100TSCA100T 的测定方向2.2 电压到角度转换把输出的模拟量转换为角度的方程式是：其中：offset是在0输出的电压值(电压2.5v)Sensitivity是芯片灵敏度(SCA100T-D01是4v/g，SCA100T-D02是2v/g) Vout是芯片输出的模拟量当角度接近于0时，可用以下简化方程式计算，计算结果的准确性可通过下表了解。简化转换方程式：其中：Sensitivity = 70mV/ (SCA100T-D01)或Sensitivity = 35mV/ (SCA100T-D02)使用简化公式计算结果与实际倾斜角度之间的误差：实际倾斜角度使用简化方程计算引起的误差0010.002720.005830.009440.014050.0198100.0787150.2185301.6682.3 公制的输出比率成比例的输出意味着零偏置点和传感器的灵敏度是和电源电压成比例的，如果电源电压波动，那么 SCA100T输出也将有所不同。使用同一电压并且启用AD转换器时SCA100T能自动补偿因电压波动而引起的误差。2.4 SPI 串行接口一个串行外设接口（SPI）系统由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备提供时钟，从设备接收主设备提供的SPI时钟。在VTI技术产品中ASIC总是在主从模式中作为从设备。SPI是四线的同步串行接口，通过选择从设备或者CSB端口来允许通信。数据通过三线接口来传输，分布是串行数据输入线（MOSI）、串行数据输出（MISO）和串行时钟（SCK）。图9 典型的SPI连接图VTI产的SPI接口能够支持任何有SPI总线的微处理器，通信能够在基于软件或硬件的SPI接口之间进行。请注意，在基于硬件的SPI通信，接收的数据是11bit。数据通信用到的是以下四个端口：MOSI SCA100T数据入 P SCA100TMISO SCA100T数据出 SCA100T PSCK 时钟入 PSCA100TCSB 片选（低电平） P SCA100TCSB为低时开始传送数据，变高时结束传输。传输指令和数据时的控制规则如下所述：l 传输指令或数据时，MSB(高位)首先发送，LSB(低位)在后发送l 每个输出数据/状态位在SCK下降沿被改变(MISO线)l 每一Bit采样是在SCK的上升沿(MOSI线)l 从CSB下降沿开始，被选中的设备开始进行8-bit的指令传输。指令定义要执行的运算。l 在CSB 的上升边缘结束所有的数据传输而且重新设定内部的计数器和指令寄存器l 如果一个无效的命令被收到，MISO将呈现高阻态并且不允许移动芯片内的数据，直到CSB下降沿，重新初始化串行通信。l 数据传送到MOSI时，连续接收所有数据并直接写到SCA100T的内部数据寄存器。l 向外输出数据通过MISO，以SCK落下的边沿开始，SPI接着在后面的Bit上，在SCK的上升沿进行采样l 最大的SPI时钟频率是 500kHzl 最大的数据采样传输速度 RDAX 和 RDAY 是 5300/s/通道SPI指令可以是任意一个单独的命令或是一个命令和数据的组合。在组合的命令和数据的情况，输入数据连续跟随SPI指令，并且输入和输出数据并行传输。SPI接口使用一个8比特指令寄存器。指令目录如下：指令名字指令格式作用MEAS00000000测量模式（在上电后的正常工作模式）RWTR00001000读和写温度数据寄存器RDSR00001010读状态寄存器RLOAD00001011重新载入NV数据到内存输出寄存器STX00001110激活X自测通道STY00001111激活Y自测通道RDAX00010000经SPI读X-通道的加速度RDAY00010001经SPI读Y-通道的加速度测量模式(MEAS) 是上电后的标准工作模式。在正常运转的时候，这条指令是退出自测的命令。读取温度数据寄存器（RWTR）在不影响正常工作的期间读取温度数据寄存器。温度数据寄存器每150us更新一次。在这期间给CSB加载低电平是无效的，因此，为了保证读取到正确的数据，在发出RWTR指令之前CSB的高电平持续时间至少要保持150us。数据传送格式在下图中呈现。传输的数据MSB在前。在正常工作中，写入温度数据寄存器任何数据都没有意义，因此推荐空位全部写“0”。图10 在SPI上的指令和8位温度数据传输对X通道自测 (STX)启动X通道自测试。内在的电荷泵被启动，产生一个高电压加载到 X通道的加速度感应元件电极。这静电力引起内部传感元件的偏转，从而模拟了正向的加速度。解除自测模式要使用MEAS指令，两个通道的自测模式不能同时进行对Y通道自测 (STY)启动Y通道自测试。内在的电荷泵被启动，产生一个高电压加载到 Y通道的加速度感应元件电极读X-通道的加速度 (RDAX)访问经过AD转换的X通道的加速度，加速度信号存储在加速度数据寄存器X中。读Y-通道的加速度 (RDAX)访问经过AD转换的Y通道的加速度，加速度信号存储在加速度数据寄存器Y中。在正常工作的时候，加速度数据寄存器每150s被更新一次。在这期间给CSB加载低电平是无效的，因此，为了保证读取到正确的数据，在发出RWTR指令之前CSB的高电平持续时间至少要保持150us。输出数据是一个11位的数字量，MSB在前LSB在后。图11在SPI 上的指令和11 位加速度数据传输时序图2.5 数字量转换到角度加速度测量后产生11位数据格式的数字量，并且存储在RDAX和RDAY数据寄存器中。数据范围是0-2048。在零度位置RDAX和RDAY数据寄存器的数字量是：二进制：100 0000 0000 十进制：1024按照某一角度旋转的数字量转换为角度值的函数为：其中：Dout X或Y通道的数字输出量Dout0 数值抵消（一般-1024） 角度Sens 芯片敏感度(SCA100T-D01: 1638, SCA100T-D02: 819)下表中的例子包含倾斜角度在-5、 -1、 0、 1 and 5度时，数据寄存器相对应的数值角度加速度RDAX (SCA100T-D01)RDAX (SCA100T-D02)-5-87.16十进制: 881二进制：:011 0111 0001十进制: 953二进制:011 1011 1001-1-17.45十进制:995二进制:011 1110 0011十进制:1010二进制:011 1111 001000十进制: 1024二进制:100 0000 0000十进制: 1024二进制:100 0000 0000117.45十进制: 1053二进制:100 0001 1101十进制: 1038二进制:100 0000 1110587.16十进制: 1167二进制:100 1000 1111十进制: 1095二进制:100 0100 01112.6 自测与故障检测模式为了确保测量结果准确可靠，SCA100T要检测连接失败和校准存储器有效性。一旦发现故障强制输出信号电平接近于电源地或Vdd，在正常输出范围之外。正常输出范围是:模拟量 0.25-4.75V(Vdd=5V) 和 SPI 102.1945.校准控制寄存器内容有效性，是打开连续的奇偶校验检查。万一在一个地方发现奇偶校验错误，会将原始数据从EEPROM中自动的重新载入控制寄存器中。如果载入数据之后又发现一个新的奇偶校验错误，两个模拟电压输出端将强迫输出低电平(0.25v)并且SPI输出值低于102。SCA100T也包含一个单独(分开)的自测试模式。使用一个静电力，真实自测试模拟加速度，或减速(度)。静电力模拟加速度，也就是高度偏斜内部质量(块)到极端的实际位置，这将导致输出信号达到最大值。那自测试功能可控制任意一个，通过一个单独的开关命令在自测的时候输入，或通过SPI。自测试时产生一个静电力，使敏感元件质量块偏斜，从而校验全部的信号通道。正确自测要执行下列各项检查：传感元件运动检查ASIC(集成电路)信号通道检查电路板信号通道检查微控制器A/D(模数转换)和信号通道检查创造的偏转能影响SPI或模拟输出，激活自测试功能要使用STX或STY命令，解除自测试要用MEAS命令。激活自测试功能也可以加载逻辑“1”(高电平)到SCA100T的9、10脚。自测时输入高电平是 4Vdd+0.3 V 低电平是 0.3 1 V 。两个自测通道不能同时启动。图12 自测波形图V1 =在激活自测功能之前的初始电压V2 =在自测期间的输出电压V3 =在解除自测功能而且在稳定时间之后的输出电压请注意那个错误波段，在指定的稳定时间之后，那V3输出保证是在初始数值的5%之内，在一个比较长的时间之后(最大1 秒)V1=V3T1激活自测试时的脉冲宽度T2饱和延迟T3恢复时间T4稳定时间=T2+T3T5自测试时的上升时间自测试特征:T1msT2msT3msT4msT5msV2V320-100Typ.25Typ30Typ.55Typ.15Min.95*VDD(4.75V Vdd=5V)0.95*V1-1.05*V12.7 温度测量SCA100T 有一个内在的温度传感器,作为内在的补偿。此温度信息也可用作外部补偿，并且可以通过SPI进行访问(存取)它是一个8比特的数据(0-255)。转换数据通过下式计算:其中：Counts 读取温度数据T 温度 C以上温度测量输出没有校正，内在的温度补偿程序对有关计算结果不需要绝对的准确度，如果温度测量结果还要作为另外的外部补偿，然后外部的一点需要校正来消除偏移.用外部的一点校正温度测量的准确度是1 C3. 应用信息3.1 推荐原理图和印刷图SCA100T应该由稳定的5伏直流电源供电，数字电源线应尽量减少耦合。VDD引脚12和GND之间必须使用100nF电容进行滤波。SCA100T是成比例输出的，为了获得最佳性能，SCA100T和模拟/数字转换器应该使用相同的参考电压。SCA100T输出端应使用5.11 K和10nF的低通RC滤波器减少时钟噪。在绘制PCB的时候，100nF的电源滤波电容应该尽量靠近VDD端口12，并且连接线尽可能短，电容器的另一端直接连接到地。GND引脚6接地，电源线和地线避免过窄。图13模拟量输出示例图14 SPI 输出示例3.2 推荐PCB 库元件封装尺寸图15 PCB封装图4. 机