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數(shù)字換能器電路包含三個(gè)石英晶體振蕩器(壓力、溫度和參考)，混合器，一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器和一個(gè)串行EEPROM(圖2)。壓力和溫度信號混合。用參考信號改善計(jì)數(shù)器的分辨率。頻率計(jì)數(shù)器輸出兩個(gè)數(shù)字:。混合壓力頻率與參考頻率的比值和混合溫度頻率的比值。引用的頻率。壓力和溫度由zui終用戶使用這些比率來計(jì)算。系數(shù)存儲在EEPROM中。通信是通過I2C兼容的2線串行接口。
對于一個(gè)完整的測量系統(tǒng)，用戶必須提供功率和計(jì)算壓力的方法。測量頻率和提供系數(shù)。還必須考慮數(shù)據(jù)的存儲和/或傳輸。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，Quartzdyne QCOM為PC提供了一個(gè)USB接口。

1.2壓力傳感器設(shè)計(jì)
Quartzdyne厚度-剪切壓力技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是、長期穩(wěn)定，強(qiáng)度高，瞬態(tài)響應(yīng)快。壓力傳感器是一個(gè)石英諧振器，它改變頻率響應(yīng)施加的壓力。水晶石英是精密傳感器的理想材料，因?yàn)樗?有彈性。石英石英的設(shè)計(jì)。壓力傳感器保留了單晶材料固有的可重復(fù)性能。石英壓力傳感器是一種厚壁、空心圓柱，具有封閉的末端。thickness-shear模式諧振器將空心圓柱的中心部分分開。外壁流體壓力靜水壓縮。在諧振器中產(chǎn)生內(nèi)部壓縮應(yīng)力的石英圓筒。諧振器的頻率發(fā)生變化。作為對內(nèi)部壓力的回應(yīng)。
1.3波紋管和膜片
換能器可以安裝風(fēng)箱或隔膜，隔離和保護(hù)壓力晶體。來自于測量的流體。風(fēng)箱對壓力讀數(shù)的影響很小，但必須如此。校正的補(bǔ)償。對波紋管或隔膜的去除或物理損傷將改變。換能器的壓力響應(yīng)和需要重新校準(zhǔn)。雖然風(fēng)箱是在真空中填滿油的，但已經(jīng)*脫氣了，這是有可能的。少量的氣體可能被困在風(fēng)箱里。通常這種氣體會(huì)溶解在油中，沒有?？蓽y量的對壓力性能的影響。在環(huán)境壓力下，可能會(huì)有一些氣體。被驅(qū)離的解決方案暫時(shí)導(dǎo)致風(fēng)箱膨脹，導(dǎo)致壓力讀數(shù)高達(dá)10psi。高于環(huán)境壓力。一旦施加壓力，該裝置將恢復(fù)正常壓力讀數(shù)。有波紋管的Quartzdyne壓力傳感器精度僅為200 psia以上。
1.4 ASIC啟動(dòng)電路
石英諧振器表面的任何污染物或缺陷都會(huì)導(dǎo)致其阻抗增加。通常情況下,阻抗的增加將取決于晶體驅(qū)動(dòng)器的水平，并且通常在較低的驅(qū)動(dòng)器水平。這這種現(xiàn)象在業(yè)內(nèi)被稱為驅(qū)動(dòng)級靈敏度(DLS)，它會(huì)導(dǎo)致晶體振蕩器無法啟動(dòng)。當(dāng)電源供應(yīng)時(shí)。我們盡一切努力確保石英表中包含的晶體壓力。換能器不存在這樣的缺陷，很有可能污染物會(huì)在反應(yīng)中移動(dòng)。有經(jīng)驗(yàn)的。隨著ASIC振蕩器的引入我們的混合電路(2007年9月)，一個(gè)啟動(dòng)特性被添加。該特性在啟動(dòng)階段對晶體的驅(qū)動(dòng)級別增加，以克服任何問題。有可能的DLS，然后在穩(wěn)定振蕩的情況下返回。這大大降低了機(jī)會(huì)。DLS晶體會(huì)導(dǎo)致場故障。在許多情況下，多余的驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上會(huì)移動(dòng)違規(guī)操作。污染到它不再影響性能的區(qū)域。一種可能的，但罕見的副作用是，如果晶體不能逐漸增加高阻抗，那就是。與DLS無關(guān)，它可能會(huì)到達(dá)啟動(dòng)特性反復(fù)參與和分離的一個(gè)點(diǎn)。這將在壓力和/或溫度測量中被視為異常高的抖動(dòng)。如果阻抗繼續(xù)。增加，抖動(dòng)將停止，因?yàn)閱?dòng)特性保持充分，并且zui終振蕩器將平行線。在這些癥狀出現(xiàn)之前，非asic電路就會(huì)有平坦的排列。
1.5傳感器輸出隨壓力和溫度變化。
描繪了DMB20K數(shù)字換能器在壓力和溫度變化方面的典型變化。引用源沒有找到。圖3顯示了溫度輸出與的名義變化。溫度。所有溫度傳感器顯示非常相似的敏感性,但25°C會(huì)有所不同的計(jì)數(shù)單位單位。圖4錯(cuò)誤!引用源沒有找到。顯示壓力輸出的變化和變化。壓力和溫度。注意，溫度的變化會(huì)產(chǎn)生零和跨度的變化。的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤!引用源沒有找到。已被重新繪制成錯(cuò)誤!引用源沒有找到。額外的檢查。在圖5中錯(cuò)誤!引用源沒有找到。繪制壓力輸出計(jì)數(shù)。不同壓強(qiáng)下的溫度。在zui小頻率下，數(shù)據(jù)也被標(biāo)準(zhǔn)化，這樣可以更清晰地觀察到溫度的敏感性。注意，溫度敏感性在環(huán)境中是正的。壓力，但在全尺寸壓力下是負(fù)的，在高溫下，溫度為零。壓力增加。換能器的設(shè)計(jì)是為了盡量減少。

2接口需求
2.1電氣連接
每臺設(shè)備需要功率(2.7到5.5 VDC)和兩條信令線SDA和SCL。A1/T, A2/P和R也可以。可用，但只在使用時(shí)連接。信令線是開放收集器，應(yīng)該與VIN綁定。在主板上使用合適的拉升電阻。更長的電纜需要更低的RP值，并且更高。時(shí)鐘速度。A1/T和A2/P有較弱的引體，在未連接時(shí)易受噪聲影響。R包含一個(gè)7.2MHz高頻信號，應(yīng)與其他線路隔離，防止交叉通話。這些的長度應(yīng)盡量減少線路(<12)，以避免噪音問題，并盡量減少供電電流。通過RP。建議采用雙絞合線，SDA和VIN合在一起，SCL和GND扭轉(zhuǎn)。在一起。當(dāng)使用可選線路時(shí)，建議使用帶有整體屏蔽的7芯電纜。文和接地應(yīng)該繞過0.1?f電容器在主電纜。接地連接在內(nèi)部底盤。在電氣噪聲環(huán)境中，可能需要屏蔽，以防止干擾。通信線路。請參見圖7中的連接器插腳任務(wù)。表1顯示了所提供的單元的線顏色。與飛行的線索。
2.2解決
多達(dá)四個(gè)傳感器可以連接在一個(gè)系統(tǒng)中。個(gè)別的換能器是用的。A2/P和A1/T的輸入。如果連接到GND，則被解釋為“0”;如果左浮動(dòng)，A2/P和A1/T是。解釋為“1”。警告!不要將這些輸入連接到VCC，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)備損壞。為多個(gè)換能器系統(tǒng)，A1/T和A2/P必須適當(dāng)連接(“00”、“01”、“10”、“11”)提供a。每個(gè)設(shè)備的*地址。設(shè)備地址如表2所示。用于帶四針的換能器。連接器，地址線A2/P和A1/T可以進(jìn)入傳感器內(nèi)部。這些通常是打開的。運(yùn)(地址“十一”)。DHB103/104傳感器只有A1/T用于地址修改。傳感器的默認(rèn)地址是“11”，用戶可以選擇將A1/T位改為“0”，導(dǎo)致“10”的地址。當(dāng)將多個(gè)傳感器連接到同一SDA/SCL線時(shí)，請仔細(xì)考慮可靠性的影響。單個(gè)故障可能會(huì)使所有連接設(shè)備的通信失效。
2.3信號
該傳感器的設(shè)計(jì)是為了與NXP I2C接口兼容。SDA和SCL線正常。在主設(shè)備上被一個(gè)電阻器拉高。SDA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換只有在SCL低時(shí)才允許。一個(gè)開始在SCL高的情況下，master斷言SDA低，而停止條件則由a發(fā)出信號。低到高的SDA過渡，而SCL高。數(shù)據(jù)一次傳輸8位，然后是ACK (SDA)。低)或NACK (SDA高)，由接收設(shè)備產(chǎn)生。消息由啟動(dòng)條件組成。然后是由主生成的地址字節(jié)(MSB)，然后是由奴隸生成的ACK。如果地址字節(jié)的LSB很低(寫)，主繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，奴隸生成ACK。適當(dāng)?shù)?，直到消息的結(jié)束由主生成的停止條件指示。如果是LSB。地址字節(jié)是高的(讀)，總線改變方向，并且進(jìn)一步的數(shù)據(jù)由奴隸提供，與ACK。
生成的主人。主指示用一個(gè)NACK接收到zui后一個(gè)字節(jié)，然后是停止條件。
2.4接通電源的重置警告
在傳感器中包含的一些FPGA和EEPROM器件并沒有出現(xiàn)在電源上。兩個(gè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不同的問題。FPGA ID低于3.02的傳感器在寫入控制或讀取FPGA時(shí)，偶爾會(huì)保持SDA低。ID命令(3.4)在啟動(dòng)后立即執(zhí)行。這種情況在版本3.02中得到了糾正。甚至更高。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，奴隸保持SDA線低，阻止進(jìn)一步的交流。主可以通過發(fā)出9個(gè)時(shí)鐘脈沖來清除這個(gè)條件，同時(shí)允許SDA行浮動(dòng)，然后是停止位。這清除I2C總線上的所有設(shè)備，并且在主觀察到被卡住的SDA線時(shí)可以使用。在4.02和更早版本的EEPROM中也存在類似的問題。一個(gè)特定于讀的地址命令(錯(cuò)誤!在電源重置后發(fā)出的參考源將會(huì)導(dǎo)致一些設(shè)備鎖定SDA線。某些溫度，阻止進(jìn)一步的交流。不幸的是，這個(gè)條件不能通過發(fā)行9來清除。時(shí)鐘脈沖。*的補(bǔ)救辦法就是騎自行車。通過發(fā)布一個(gè)讀流可以避免這個(gè)問題。在向EEPROM發(fā)送任何其他命令之前，地址命令(4.1)。上述兩個(gè)問題在版本4.03和更高版本中都得到了解決，但是在設(shè)計(jì)時(shí)要謹(jǐn)慎。可以與舊設(shè)備通信的系統(tǒng)。
2.5接通電源的測序
為了保證可靠

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3頻率計(jì)數(shù)器
頻率計(jì)數(shù)器是一種ASIC(芯片)，它為石英晶體振蕩器提供了一個(gè)接口。傳感器。它提供與NXP I2C總線兼容的串行通信。溫度和壓力可以查詢頻率，也可以查詢芯片ID和狀態(tài)?？梢跃帉懣刂莆粊磉x擇某些特性。傳感器。該芯片控制為存儲器的寫入啟用位。在一些型號上有一個(gè)7.2MHz的參考時(shí)鐘，可以用于時(shí)鐘用戶電路。輸出可以切換到1kHz，使用軟件命令降低功耗。
3.1讀取計(jì)數(shù)器命令
計(jì)數(shù)器芯片包括兩個(gè)*獨(dú)立的頻率計(jì)數(shù)器，提供同步計(jì)數(shù)。兩種頻率都沒有死時(shí)間。讀取請求觸發(fā)芯片將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到串行分隔。電路和計(jì)數(shù)器在分裂發(fā)生時(shí)又開始計(jì)數(shù)?？梢酝ㄟ^向每個(gè)計(jì)數(shù)器依次發(fā)出一個(gè)虛擬的Read(參見圖9)來查詢計(jì)數(shù)器。如果計(jì)數(shù)器準(zhǔn)備好它將確認(rèn)(ACK)請求;否則它將不承認(rèn)(NACK)。如果計(jì)數(shù)器確認(rèn)，主必須讀取至少一個(gè)字節(jié)，然后是NACK和STOP以清除總線循環(huán)。如果它是還沒準(zhǔn)備好，主人就應(yīng)該叫停。在這兩種情況下，剛剛處理過的計(jì)數(shù)器將被重新觸發(fā)。讀一個(gè)計(jì)數(shù)器不會(huì)影響另一個(gè)計(jì)數(shù)器上述方法的另一種選擇是使用Read Status命令并檢查t探測和p探測位。該方法在繼續(xù)計(jì)數(shù)時(shí)同時(shí)返回兩個(gè)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。此外,這兩個(gè)計(jì)數(shù)器可以通過寫入控制寄存器同時(shí)觸發(fā)(一旦確定計(jì)數(shù)器是工作的，就可以連續(xù)使用所需的gate時(shí)間間隔進(jìn)行查詢。如果一個(gè)計(jì)數(shù)器在2.3秒內(nèi)沒有被查詢，它將溢出并進(jìn)入一個(gè)降低的電源模式，直到重新觸發(fā)。通常，master將讀取4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。對于芯片版本4.02和更大的校驗(yàn)和可讀。頻率被報(bào)告為壓力比(XP)或溫度(XT)計(jì)數(shù)除以引用計(jì)數(shù)。它是表示為無符號的定點(diǎn)數(shù)，MSB代表2-1。頻率在10kHz范圍內(nèi)。對于100kHz，可以將其讀取為一個(gè)整數(shù)，zui多為32位，而zui重要的字節(jié)為1。前5位會(huì)?？偸菫榱?。gate time (TG)是由主查詢每個(gè)計(jì)數(shù)器的頻率和從.001到2.3的頻率決定的。秒。結(jié)果的有效極限是由參考計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)決定的。頻率NR = TG * FR(約1 / 720萬/秒)。增加的閘門時(shí)間會(huì)更好。精度。用一秒的時(shí)間來計(jì)算結(jié)果的精度大約是由*次開始的23位。非零位。這轉(zhuǎn)化為壓力分辨率為0.003 psi(根據(jù)模型和實(shí)際壓力變化)。
3.2校驗(yàn)和
在計(jì)數(shù)器芯片4.02中添加了校驗(yàn)和特性。讀取任何數(shù)據(jù)，包括頻率，狀態(tài)?；蛘呤荂hip ID，校驗(yàn)和輸出為第五個(gè)字節(jié)(參見下面的示例計(jì)算)。如果檢測到校驗(yàn)和錯(cuò)誤。主可以通過繼續(xù)確認(rèn)(ACK)字節(jié)來重新讀取數(shù)據(jù)。只要主人承認(rèn)，芯片重新發(fā)送原始數(shù)據(jù)，包括校驗(yàn)和。一個(gè)NACK接著是停止終止讀取數(shù)據(jù)。一旦命令終止，原始數(shù)據(jù)就無法被檢索。兼容性說明:讀取前四個(gè)字節(jié)是向后兼容以前的版本。額外的字節(jié)以前的版本可以閱讀，但應(yīng)該被認(rèn)為是噪音。警告:*次讀取數(shù)據(jù)是新的數(shù)據(jù)。繼續(xù)讀取，而不簡單地終止讀命令。重新發(fā)送舊數(shù)據(jù)。因此，繼續(xù)讀取計(jì)數(shù)器或狀態(tài)而不發(fā)出停止，將不會(huì)反映新的數(shù)據(jù)。
3.3編寫控制/狀態(tài)寄存器
控制字允許在頻率計(jì)數(shù)器ASIC中啟用或禁用各種特性。閱讀和編寫控制字的*個(gè)字節(jié)是向后兼容FPGA版本3.03或更早。額外的在圖11和表3中總共添加了32位的控制位。注冊和“控制”“狀態(tài)”寄存器指的是相同的數(shù)字位。“控制”是在寫入位和控制的上下文中使用的。特性。“狀態(tài)”在閱讀和查詢中使用。例如，t檢測和p檢測位可以。只被閱讀為“狀態(tài)”位。然而，在寫入時(shí)，需要使用虛擬值來保存位位置。“控制”登記。位30-31:在版本3.01 (0D020301, 0D050301)之前，溫度或壓力檢測是可能的。即使有信號，也保持不動(dòng)。

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