参考文献

对于相关的文件和软件，请访问：

https://www.dialog-semicondoduments.c亚博电竞菠菜om/products/greenpak.

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yabo国际娱乐Dialog Semiconductor提供了一个完整的应用笔记[4]库，包括设计示例以及Dialog IC内的功能和模块的说明。

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2. AN-1205实现电子调平工具.GP，绿派克设计文件，Dialog半导体yabo国际娱乐
3. GreenPak开发工具， GreenPAK开发工具网页，Dialog半导体yabo国际娱乐
4. GreenPAK应用笔记，GreenPak应用笔记网页，对话框半导体yabo国际娱乐
5. SLG46120对话框数据表,半导体yabo国际娱乐
6. SLG88104对话框数据表,半导体yabo国际娱乐

介绍

虽然设计精密工具的电子版本可能具有挑战性，但我们在本申请中提出了设计符合传统工具特征的电子电平。

首先，我们将简要介绍升级工具的历史。然后，我们将描述管理从加速度计接收到的信号所需的电路。然后我们将讨论一个可编程混合信号专用集成电路的内部设计，它执行电子工具的主要功能。我们选择使用GreenPAK SLG46120V[5]，因为它的大小和灵活性。最后，我们将展示我们的视觉和听觉界面。

水平仪的历史和秘密

一种级别的工具，该工具旨在告诉用户表面是否直线（也称为液位）或垂直（也称为铅锤）方向。

这条简单的信息对砌砖、金属和木工工作至关重要。这个设计基本上几十年来都没有改变过——一个基本的水平面里有一个玻璃瓶，里面装满了液体，只有一个小气泡。由于重力和密度差的共同作用，当重力作用于瓶曲面内的液体时，气泡总是移动到瓶的最高点。

图1说明了玻璃瓶的夸大，突出了它的工作原理。图1（a）显示了当小瓶完全水平时居中的气泡。在图1（b）中，泡沫旋转时，气泡迁移到最高点。请注意，标记为褪色泡沫的旧位置具有较低的高度。由于气泡较少，因此它总是朝向弯曲的小瓶表面的顶部浮动。

平整工具设计

尽管机构简单，但调平工具具有很高的精度是至关重要的。灵敏度是一个电平的重要指标，因为它在决定设备的整体精度方面起着很大的作用。水准仪的敏感特性是需要改变角度或梯度来移动气泡一个设定的距离。如果小瓶有刻度，那么灵敏度是指通过这些刻度移动气泡所需的角度或梯度变化。

灵敏度与小瓶的曲率的半径直接相关。半径越长，小瓶的敏感性越敏感，反之亦然。对于此应用程序，我们将使用简单的泡沫级别作为参考。这些简单的级别不带有灵敏度规范，但是可以通过使用尺子和卡钳来大致测量其灵敏度。图2（a）显示了用作本应用笔记中的参考的真实气泡级别工具。

测量时，我们用了一把31厘米长的尺子，在上面放了一个水平尺。图2(b)显示了标尺接触表面的一端，同时提高另一端。我们用卡尺测量凸起边的高度。当标尺平行于一个平面时，气泡位于瓶的中间。在这种情况下，α的值是零。然后，我们抬高标尺的一端，直到它到达第一个黑色标记，并记录高度，即变量“b”，如图2(b)所示。灵敏度计算公式如下:

因此，两个黑色标记之间的灵敏度为3.14°。我们的目标是设计一种电子水平，至少与泡沫水平一样好。

接下来，我们需要讨论用于创造对灵敏度影响的电子电平的电子产品。

灵敏度与重力传感器的特性直接相关。在本应用笔记中，我们使用了NXP加速度计MMA7260QT.．该设备具有信号调节、一个极低通滤波器、温度补偿和在四种灵敏度设置之间进行选择的能力。运行时设备的平均电流消耗为500µA，进入睡眠模式后，平均电流消耗为3µA。

NXP加速度计的VDD要求为2.2V-3.6V，因为这被认为是低功耗应用。1.5g时的最大灵敏度为800mV/g，为其默认配置。加速度变量的输出值为模拟电压，当设计者只对重力矢量感兴趣时，输出电压可按下式描述:

• V_y(α)加速度计电压输出。
• α.是相对于g的角度。
• V_年代是v / g的灵敏度电压。

α.	Vy(α)
-1.57º	-0.0219 V
-0.7850º.	-0.0110 V
0º	0 V
0.7850º	0.0110 V.
1.57º	0.0219 V

灵敏度将与电源电压线性缩放。这意味着随着电源电压线性增加，敏感性和偏移发生也就是说。表1显示了值V_y(α)对于价值观(α)之前测量的灵敏度范围。

图3说明了在-360 <α360的角度范围内旋转加速度计的效果。值非常接近零是几乎是线性的，这在我们的设计中是非常理想的。

解决方案架构

本节的应用程序笔记将描述电子调平工具的构建块和详细的电路是如何构建的。

我们从图4开始，它显示了系统的完整框图。设计主要分为两个部分:信号调理和GreenPAK IC核心。黄褐色的盒子包含产生和调节信号的块，绿色的盒子包含GreenPAK集成电路及其支持部件，如RC定时网络、音频驱动程序和视觉指示器。GreenPAK SLG46120V集成电路被选为实现多种功能，包括振荡器、声音驱动和LED阵列。

外部电路

图5（a）显示了模块板，图5（b）显示了加速度计传感器的引脚。

块1由搁板的加速度计传感器模块组成，其在其轴上执行重力矢量投影测量的获取。输出是一种模拟信号，其中电压与三个轴中的一个中的重力矢量的投影成比例。

SEL1和SEL2引脚是两个输入引脚，允许用户选择加速度计的灵敏度。通过将SEL1和SEL2未连接，由于连接到输入的下拉电阻，默认灵敏度为1.5g。睡眠引脚将直接连接到VDD，因为我们只想展示电子级工具的基本功能。如果需要，用户可以通过改变GreenPak设计的实现来实现唤醒睡眠功能以降低功耗。

接下来，我们调整信号，使其适合驱动GreenPAK设计的VCO。我们首先回顾图3，以y轴作为参考。我们现在只对函数提供的信号的大变化感兴趣V_y(α)．由图6可知，由于电压变化，绿色阴影区域的传感器灵敏度大于蓝色阴影区域。

绿色区域的优点是线性性质。变异V_y(α)可以被认为是与IF的变化线性成比例，该值非常接近于零。由于所定义的正弦近似，这是可能的：

我们不能对蓝色阴影区域和函数的低变化量应用正弦近似V_y(α)，对于那些价值的价值α.更容易受到噪音的影响。

调平是一个过程，其中用户将设备旋转到ZERO。我们使用声音界面来指示何时发生这种情况。由于级别是二进制信息（它是或者它不是级别），因此我们稳定频率低于最大频率的声音。因此，我们必须改变输入信号的形状，让我们知道α= 0º是阅读。这个任务是通过使用绝对值函数on来完成的V_y(α)对于价值观(α)在绿色阴影区域。结果在图7中突出显示，其中图7（a）表示原始信号，图7（b）表示绝对值函数电路的结果。请注意红色圆圈，指示最大点的时间点α= 0º．然后，当用户转动设备直到达到最高音调时，设备是水平的。

框2描述了“绝对值函数”。通过基于SLG88104V的电路实现信号调节[6]。该部分是一种能够进行轨到轨输入和输出操作的四个CMOS运算放大器的包装。

该部分的主要优点是375nA的低电流消耗，电压范围宽，占地面积很小。另一个有用的特点是每个放大器的单独的功率下降控制，使其适合低功率应用。亚博国际官网平台网址

比值系数是指传感器在一定范围的电源电压值上保持恒定灵敏度的能力。加速度计信号输出偏置电压和灵敏度将随施加的电源电压线性缩放。Block 2的输入也考虑了加速度计的偏移参考。图8为执行绝对值函数和放大的电路图。VGND电路点与所施加的电源电压成线性关系。因此，ACCEL和VGND将有非常接近的偏移参考，这意味着从ACCEL读取的虚拟“零伏”将非常接近VGND参考的虚拟“零伏”。因此，只有在偏置误差不够低的情况下，才需要在ACCEL电路点进行校准。

由于小的设备旋转，加速度计产生的大电压变化是我们希望在设计中实现的特性。

该特征与灵敏度有关，并且可以通过使用放大来控制。扩增改变了与电压控制振荡器（VCO）的输出频率成比例的变化之间的比率。R13和R14电阻器在信号输出标记ABS之前构成最后一次运算放大器的增益网络。操作放大器配置为非反相放大器，增益为：

图9显示了通过调整放大因子来指导设计者如何控制设备的灵敏度一个_获得

GreenPAK电路

信号调节的最后阶段由块3表示，执行过滤和信号缓冲。图10显示了与外部部件的GreenPak SLG46120V IC接口的整体示意图。块2的输出信号标记为ABS。

接下来，用由R7和C2形成的RC低通滤波器过滤信号，该RC低通滤波器旨在消除可能在显示器或声音驱动器上导致毛刺的突然移动的效果。加速度计可以检测物理碰撞，输出必须过滤的高频噪声。然后，滤波器的输出转到公共集电池放大器拓扑（也称为发射器跟随器），用作VCO驱动的电压缓冲器。

R8定义了用于控制最高音调的偏移α= 0º．Q2的发射极连接时间常数RC网络R1和C1，控制VCO的振荡。部件Q1, R3, R4和SP1组成“声音驱动接口”块。接口音调通过扬声器SP1由晶体管Q1作为开关驱动。

显示界面由LED阵列形成。LED1和LED2表示α，LED4和LED5表示α的正值，LED3表示α在非常接近0度的值范围内。

根据SLG46120V数据表，当采用开漏NMOS 2x时，低电平输出典型电流为22.9 mA @ 3.3V。图9显示了PIN10的GreenPAK接口属性。这个输出引脚配置用于驱动led。由于82欧姆电阻，led电流为18.3 mA，我们假设led的电压降为1.8V。PIN11只控制LED3。PIN10和PIN12分别控制LED4/LED1和LED2/LED5对。支路驱动器由PIN9控制，将LED5/LED4分流，同时驱动Q3。Q3是一个晶体管，作为开关和反相逻辑端口。当LED4/LED5浮动时，它对LED1/LED2进行分流，反之亦然。电路点的正alpha (PA)和负alpha (NA)来自Block 2。 These circuit points read and discriminate positive or negative values of α. This information will be part of the circuit that controls PIN9 logic.

图12显示了这种GreenPak设计。我们还可以识别内部功能：VCO，LED控制和声音驱动程序。

VCO由一个查表(LUT)、一个模拟比较器(ACMP)、一个计数器和两个引脚组成。Pin3为ACMP的输入端，Pin5在达到阈值时将电容连接到GND。ACMP0的内部参考值设置为400mV，即放电阈值。Pin3被配置为模拟输入，而pin5被配置为带有浮动电阻的1x开漏NMOS数字输出。

2位LUT4配置为逆变器。计数器CNT / DLY2最多计数5以确保电容器完全放电。时钟源是由OSC提供的2MHz，并且CNT / DLY2的放电提供的时间量为3.75US。

显示控制通过测量VCO产生的信号的周期来工作。该功能由CNT0/DLY0、2位LUT2、CNT1/DLY1、FILTER、2位LUT3、DFF6、DFF7实现。基本上，这个结构计算在VCO信号输出的一个周期内CNT1/DLY1计数器拟合的脉冲数。DFF6和DFF7构成一个2位计数器，可以从0计数到3。

当信号周期减小或增加时，该2位计数器将注册一个数字，根据其配置，三个3位lut中的一个将输出HIGH。表2显示了根据计数器寄存器哪些LUT和LED是活动的。

由于四个位不足以表示5个角度值，我们使用诀窍来实现我们的目标。在图12中，注意到比较器ACMP1驱动PIN9，其交替分流正极和负LED轨道。表3将包括来自ACMP1的信号导致的表2的逻辑扩展到表1的参考加速度计电压。

柜台登记	lut.	有效针
3.	没有一个	保持显示
2	3-bit LUT1	销11
1	3-bit LUT8	销12
0	3-bit LUT0	销10

为了在框5中创建声音驱动程序，我们使用VCO的外部RC网络产生了4kHz的最大频率。由于这种频率高倾斜并且对于人耳可能不舒服，我们使用了两个DFF来将其降低到更令人愉悦的1KHz音调。

设计测试

一种检查设备是否正常工作的方法是分析VCO的输出。我们使用示波器在由来自加速度计的信号激发时测量VCO输出。图13（a）显示了当工具放置在水平方向上时的输出，而图13（b）显示工具在倾斜时的输出。

蓝色和黄色线分别表示输入和输出信号。如果将图13中的结果与图9中的曲线功能进行了比较，则可能会得出结论，结果来自集合的电路一个_获得= 10．

柜台登记	lut.	有效针	ACMP1	主动导轨	引领	加速度计电压
3.	没有附近地区	保持显示	+/-	忽略	保持显示	忽略
2	3-bit LUT1	销11	忽略	忽略	LED3.	0 V
1	3-bit LUT8	销12	+	销9	LED5.	+0.0219 V.
0	3-bit LUT0	销10	+	销9	LED4.	+0.0110 V.
2	3-bit LUT1	销11	忽略	忽略	LED3.	0 V
1	3-bit LUT8	销12	-	销8	LED2	-0.0110 V
0	3-bit LUT0	销10	-	销8	LED1.	-0.0219 V

结论

在此应用中，我们构建了一个电子调平工具。我们设计了从加速度计和声音/可视用户界面调节模拟信号所需的电路，该声音/可视用户界面指示工具是否为级别。该设计按预期工作，我们在设计测试部分中呈现了信号图。

GreenPAK SLG46120V集成电路与SLG88104V四运算放大器的结合为设计该电子水位仪提供了理想的资源。VCO结构构造简单，并且有足够的资源来实现声音界面和视觉指示器，让用户知道工具离水平面有多近。