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ZW-CA10B-01BL

ZW-CA10B-01BL 为一款电容式加速度计接口电路芯片。本芯片采用闭环控制方式,输出信号有模拟差分输出和数字输出(SPI)两种输出形式;开放的前端检测放大器结构,可通过搭建可变电容桥(内部已集成匹配电容阵列),适配各种加速度计表头; 5V单电源供电;内部集成2.5V 电压基准、电荷泵;具备高压输出,可用于加速度计驱动闭环系统反馈控制; 内部集成温度传感器; 内部集成24bitsDelta-Sigma ADC 用于加速度信号量化,集成14bitsADC 用于温度传感器量化;片内集成三阶温补系统(可选);内部集成一次可编程非易失性存储器(OTP),用于调试、校准和配置电路系统参数;具有加速度计表头自检功能。

产品特性

输出方式: SPI 或模拟差分输出

输出电压范围: -4V ~ +4V

5V 单电源供电

开放的前端放大器检测结构,可适用于各种表头

模拟闭环+24bits Delta-Sigma ADC

温度传感器+14bits ADC

内部集成一次可编程非易失性存储器(OTP),
用 于调试、校准和配置系统参数(CV 电容阵列参数、 CV 增益、
高压共模及其增益、PID 控制参数、温度 补偿参数等)

CV 检测电路适配噪声低,输出电压平滑、相移小;

内部集成电荷泵及高压驱动放大器,可用于加速度 计系统反馈控制

可配置高压驱动放大器共模电压

可编程高压驱动放大器增益,实现闭环刻度因子配 置和较准

内置基准和温度传感器电路

内置三阶温度补偿系统(数字)

工作温度范围:–40℃ 至 125℃

工作电流消耗:8mA

典型应用领域

加速度计器件集成     电容测试

 

性能指标

除非另有说明, @ 2 5 ℃, AVDD = 5 V

参数 条件 /注释 最小值 典型值 最大值 单位
输出(模拟)
输出范围   -4   +4 V
非线性度       0.05 % FS
滤波器频率 @-3dB   1   KHz
输出(数字)
ADC输入电压范围         V
ADC动态范围 0.1~100Hz   -120 ±4.0 dBV
非线性度       0.05 %FS
数据速率   7.63   31.25K SPS
刻度因子(数字)     1864135   LSB/V
检测CV
电容灵敏度     4.5   V/pF
匹配电容范围   0.5   16.5 pF
等效输入噪声 基础/寄生电容:4pF/14pF   25   zF/√Hz
温度传感器
输出电压   2.44 2.47 2.50 V
输出(数字)     0   LSB
温度刻度因子(模拟)     8.1   mV/°C
温度刻度因子(数字)     72  

LSB/°C

非线性度       2 %
输出电压噪声 0.1 Hz ~ 1 kHz   16   µVrms
驱动高压输出
增益调节范围

配置精度:0.125/LSB

1   7.992 V/V
共模调节 范围   4.5   10 V
电源
电源电压   4.75 5 5.25 V
静态电流     9   mA

绝对最大额定值

最大电源电压:  6 V

最大工作温度范围:  -55 ℃ ~ 125 ℃ 

最大存储温度范围:  -60 ℃ ~ 150 ℃ 

注意:超过以上数值的工作环境将对芯片造成永久的损害。以上数值的工作环境仅为极限条件。长时间工作在以上条件将有可能降低芯片的可靠性。

ESD 警告

ESD【静电放电】敏感器件

带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专用保护电路,但在遇到高能量ESD时,器件可能会损坏。因此,应当采取适当的ESD防范措施,以避免器件性能下降或功能损失。

引脚配置和功能描述

编号 PAD名称 管脚定义 坐标(X,Y)um
1 VSS_CP 电荷泵地 (86.0 408.39)
2 VCP 电荷泵输出电压,需要外挂0.1uF电容 (86.0 605.85)
3 VCP 电荷泵输出电压,需要外挂0.1uF电容 (86.0 789.89)
4 BOT 三电极表头下基板 (86.0 1134.73)
5 SBOT 五电极表头检测上极板 (86.0 1318.73)
6 SDBOT 五电极表头驱动上极板 (86.0 1502.73)
7 SCTR 三电极/五电极表头中间极板 (86.0 1686.73)
8 SDTOP 五电极表头驱动下极板 (86.0 1870.73)
9 STOP 五电极表头检测下极板 (86.0 2054.73)
10 TOP 三电极表头上基板 (86.0 2238.73)
11 AVSS 模拟地 (86.0 2422.73)
12 V4P5 4.5V参考电压,需挂0.1uF电容 (86.0 2596.73)
13 AVSS 模拟地 (86.0 2770.73)
14 AVSS 模拟地 (86.0 2944.73)
15 AVSS_AD SADC的地 (86.0 3118.73)
16 AVDD 5.0V电源 (350.65 3414.0)
17 AVDD 5.0V电源 (574.65 3414.0)
18 AVDD_AD 5.0V的AD电源 (798.65 3414.0)
19 SCTR 三电极/五电极表头中间极板(MASS) (1022.65 3414.0)
20 V4P5 4.5V参考电压,需挂0.1uF电容 (1246.65 3414.0)
21 VTEMP_VACT 温度传感器输出端,2.5V@25℃ (1710.65 3414.0)
22 TOP 三电极表头上基板 (1934.65 3414.0)
23 ACCOP

模拟模式时差分同向输出端

数字模式时外部同步SYNC时钟输入引脚

(2637.0 3414.0)
24 AVSS 模拟地 (2861.0 3414.0)
25 ACCON 模拟式时差分反向输出端 (3309.0 3414.0)
26 PD powerdown, PD=1时,系统停止工作 (3757.11 3414.0)
27 BS2 DSM bit流测试输出端 (4127.68 3414.0)
28 RSTN 外部复位输入(低有效 ),缺省内部上拉 (4371.68 3414.0)
29 BS1 DSM bit流测试输出端 (4615.68 3414.0)
30 VDDIO IO 电源( 1.8V,3.3V/5V) (4914.0 3154.05)
31 VDDIO IO 电源( 1.8V,3.3V/5V) (4914.0 2930.05)
32 CSN SPI 从机片选信号输入端 (4914.0 2247.75)
33 SCK SPI 从机片选信号输入端 (4914.0 1973.75)
34 MOSI SPI 从机数据输入,主机数据输出端 (4914.0 1699.75)
35 MODE 输出模式选择,默认数字输出,拉高到 VDDIO为模拟输出 (4914.0 1424.93)
36 CKBS DSM数据采样时钟测试输出 (4914.0 1152.04)
37 MISO SPI 从机数据输出,主机数据输入端 (4914.0 878.11)
38 RDDY Data ready 信号 (4914.0 602.92)
39 ERR 自检测输出端 (4339.23 86.0)
40 DVSS 数字地 (4145.23 86.0)
41 VDDL LDO 2.5输出,需挂 0.1uF电容 (3777.23 86.0)
42 VDDL LDO 2.5输出,需挂 0.1uF电容 (3951.33 86.0)
43 AVSS 模拟地 (2493.54 86.0)
44 BOT 三电极表头下基板 (1934.65 86.0)
45 VPP OTPOTP 编程时输入电压7.5V,正常工作时NC (1735.54 86.0)
46 SCTR 三电极 /五电极表头中间板 (1127.54 86.0)
47 VDD_CP 电荷泵源 (923.54 86.0)
48 VCP 电荷泵输出压,需要外挂0. 1uF电容 (649.54 86.0)
49 VSS_CP 电荷泵地 (375.54 86.0)

注: 1. 裸芯片尺寸为:5000μm(X向) * 3500 μm(Y向) * 305 μm(厚);

2. 芯片 PAD开窗尺寸: 120 μm * 98 μm;

PAD ESD保护级别范围: 0V - 2000V

4. 特殊要求:

芯片左侧PAD尽可能于表头PAD靠近,Pad7与表头中间基板平直打线,封装打线时要使Pad6与Pad8的打线、Pad5与Pad9、Pad4与Pad10的打线对称(匹配)。

三电极只需将PAD的第4、7和10分别与表头BOT、MASS、TOP;连接;

五电极时,需将PAD的第5、6、7、8和9分别与表头检测正、驱动正、MASS、驱动负、检测负连接。

产品应用时,除了与表头连接的引线,有必要将PAD的第VSS_CP(1,49)、VCP(2,48)、AVSS(11,13,14,24,43)、V4P5(12,20)、AVSS_AD(15)、AVDD(16,17)、AVDD(18)、VTEMP_VACT(21)、ACCOP(23)、ACCON(25)、PD(26)、RSTN(28)、VDDIO(30,31)、SCK(33)、MOSI(34)、MODE(35)、MISO(37)、RDDY(38)、ERR(39)、DVSS(40)、VDDL(41,42)、VPP(45)、VDD_CP(47)共计26个引脚引出。

应用信息

下图是该ASIC 的外围器件连接图,因该ASIC 集成度非常高,在器件集成时,除电源AVDD 需要外接 退耦电容外,还需要考虑VCP 和V4P5、VDDL 外接电容,除此之外无需过多的辅助电路。这款ASIC 电路可 工作于模拟输出和数字输出两种工作模式。

寄存器说明

由于该 由于该 ASIC集成了各种可调功能,因此在与表头匹配时,需要对相应的寄存器进行软写或者硬写操作,该芯片推荐使用Labview软件进行参数匹配,图4是我司推荐的界面。

烧写步骤:

A.1软写校准

(1)芯片上电,电流 8mA 左右,将进入写模式,运行 labview 程序,点击图 4 界面中的【软写】、【自校准 CB、】 【自校准 CCAN】【启动 START】即可将界面中的数据软写至芯片。

(2)测试软写后输出,根据要求的指标,对照第表 2 中的寄存器说明,调节相应的参数。

(3)配置参数计算好之后,填入 labview 烧写界面,重新运行程序,再次进行软写操作。

(4)重复(2)(3)步骤,直到调配到想要的参数。

注:软写模式下,断电后写入的数据就没有了。要在软写模式下测试,写入后需要一直保持上电状态,但烧 写器可以去掉。【自校准 CB、】【自校准 CCAN】的功能是校准零偏的,所以点击这两个按钮时一定要保证加 速度计处于零位状态。

A.2 硬写

若想将软写调试好的参数固化在芯片里,需要对芯片进行硬写操作(写 OTP)。操作步骤如下:

(1) 运行 labview 程序,点击图 4 界面中的【软写】、【自校准 CB、】、【自校准 CCAN】【自校准 CB 使能】 【自校准 CCAN 使能】、【启动 START】,确认参数无误后点击【硬写】,即可完成硬写操作。

(2) 点击硬写后可点击【读取】,检测是否写入正确的值。也可不进行读取。

(3) 断开 VPP 接的 7.7V 电压,重新上电后测试芯片输出,硬写过程完成。

注:

(1) ※ 软写(可反复擦除寄存器)时,进入软写测试模式。

(2)※ 硬写(烧写 OTP,参数固化)时,需要给 VPP 输入 7.7V 电压,进行硬写模式。

(3)※ 工作模式下, MODES 拉高到 VDDIO 电平,可进入模拟输出模式;拉低至低(或悬空),可进入数 字输出模式。

(4)※ 注意【自校准使能】选择。

 

表 2 ZW-CA10B-01BL 寄存器说明

寄存器名称 位宽 功能说明 可调范围
PICISL 5 PIC 输入电阻配置
2401~76kΩ,(step=-75kΩ)
PICFSL
7 PIC 反馈电阻配置
1~2382.25kΩ,(step=18.75kΩ)
PICCDSL
3 PIC 微分电容配置
3.5385~771.393pF,(step=109.6935pF)
PICCISL
3 PIC 积分电容配置
403.389~1815.2505pF,(step==201.6945pF)
PICCLSL
3 PIC 高频滤波电容配置
3.5385~771.393pF,(step=17.6925pF)
CBCSL
5 匹配电容配置
1~16.5pF,(step=0.5pF)
CCAN
12 零偏补偿电容配置
-460~+460fF
K0SLDIF
8 高压输出零偏校准配置
-1.8~1.8V
C2VCFSL
3 CV 增益配置 C2VCFSL =0.25 ,0.5,0.75 ,1.00 pF, 对应增益:4.5/ C2VCFSL V/pF
K1SL
10
高压增益/标度因子配置
0~7.992[倍],(step=1/128)
HVCMSL
6
高压驱动共模电压配置
4.52~10V
HVSL
6
高压配置
9.04~20V
OUTPLT
1
输出极性配置
0/1
PHSSL
1
闭环正/负反馈配置
0/1
3TEN
2
适配 3/5 端表头配置
0:5 端表头;1~3:3 端表头
COMP1ST
6
一阶温度补偿调节
def:32d,实测推荐值 23
V2P5CLB
7
REF2.5V@25℃精度调节
def:96d, 实测推荐值 117
BIAS4 30
零偏三阶方程常数项
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS3 30
零偏三阶方程一阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS2 30
零偏三阶方程二阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS1 30
零偏三阶方程三阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF4
30
比例因子三阶方程常数项
含 1bit 符号位,默认值为 30`h10000000
SF3
30
比例因子三阶方程一阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF2
30 比例因子三阶方程二阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF1
30 比例因子三阶方程三阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
GAIN
16
输出增益
含 1bit 符号位,默认值为 16`h1000
COMPSL
1
温度补偿开启使能
0:开启(默认);1:关闭
OUTBW
3
平均滤波器带宽选择

0:31.25KHz ( 默 认 ); 1:15.625KHz ;

2:7.813KHz;3:3.906KHz;4:1.953KHz;

5:965Hz;6,7:488Hz

IIRBW
3
IIR 滤波器带宽选择
0:直通(默认);1:100Hz;2:150Hz;3:200Hz: 4:250Hz;5:300Hz;6:350Hz;7:400Hz
READONLY
1
数据输出格式控制
0:数据输出顺序依次为 DRDY 信号,随后为 24bit 加速度信号等(默认); 1:数据输出顺序依次为 24bit 加速度信号,随 后为 DRDY 信号等
SYNC_EN
1 外同步信号使能 0:不接受外同步信号(默认);1:接受外同步信 号

SPI 接口

采用标准 4 线 SPI 接口进行通信,从模式运行。CS 设置为低,初始化通信,MOSI 和 MISO 的数据变化必须同步于 SCK 下降沿,而主从采样输入必须同步于 SCK 的上升沿。

器件的配置

本 ASIC 内部寄存器及数据的读取和写入格式如图 6 所示,第一 Byte 的最高位为读写标志 位,为‘1’表示接下来为读取操作,为‘0’则表示接下来为写入操作,第一 Byte 的低 7 位为 地址位,对应表 2 寄存器表。

 

 

传感器输出数据的读取

加速度数据输出为 24bit,温度数据输出为 14bit,在数据最高位之前加入了 1bit 的新数据标 志位 DRDY,所以外部 SPI 主机可以同时读取加速度数据和温度传感器数据,客户根据自己所 需采集的数据,参考下列格式进行配置及采集, DRDY 在每个新数据的起始时被设置为‘1’, 当采样数据被读取后自动恢复为‘0’,所以每个读取的加速度数据都应该判断 DRDY 以保证这 是一个不重复的新数据,这里要求 SPI 的数据采样率稍稍略高于加速度数据输出速率以保证数 据不会丢失,数据输出率为 31.25KHz。SPI 读取加速度数据命令形式

0xD1 6/5/4bytes 0x00

8`hD1+48`h000000000000(DRDY+VOUT+ERR+TEMP+errout);

8`hD1+40`h0000000000 (DRDY+VOUT+ERR+TEMP);

8`hD1+24`h000000(VOUT),只输出 24bit 数据时,寄存器 REGL5E[7] READ_DATAONLY 需配置为 1;

 

 

温度补偿参数计算

加速度信号 VOUT 为 24bit 有符号数;温度信号 TEMP 为 14bit 有符号数。记录加速度输出 及刻度因子 K 随温度变化的数据,并将上述三组数据保存为正负数十进制数,然后对其进行扩 位运算;

Vout_30bit = VOUT * 2^6;

K_30bit = K * 2^6,找出 25℃(TEMP=0)时的刻度因子 K25;

Temp_20bit = TEMP * 2^6

以上数据中加速度零偏、刻度因子的数据与温度点一一对应,采用 matlab 工具中的 polyfit 进行 3 阶拟合

p1=polyfit(Temp_20bit,Vout_30bit,3);

p2=polyfit(Temp_20bit,K25./K_30bit,3);

BIAS1=round(p1(1)*2^59);

BIAS2= round(p1(2)*2^38);

BIAS3= round(p1(3)*2^19);

BIAS4= round(p1(4));

SF1= round(p2(1)*2^85);

SF2= round(p2(2)*2^66);

SF3= round(p2(3)*2^47);

SF4= round(p2(4)*2^28);

上述参数计算结果为十进制,如采用本公司配置软件,可直接填入十进制数,若自行开发配置软 件,映射地址时请转换为带符号的 30bit 十六进制数。

修订记录

修订 日期 说明
V0.01 2019年11月 初始版本
V0.02 2019年12月
增加2.5V基准温度补偿寄存器
V1.0 2020年3月
添加芯片原理图