Laskostumisen estäminen digitaalisissa MEMS-antureissa

Mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (MEMS) perustuvien järjestelmien suunnittelijat ovat jo yli vuosikymmenen ajan valinneet analogisten versioiden sijasta digitaaliset MEMS-anturit. Tätä suuntausta ovat ohjanneet anturituotteiden saatavuus, ominaisuudet, integrointi ja kustannukset. Kun suunnittelija valitsee digitaalisia MEMS-antureita, hän joutuu tekemään esimerkiksi anturin kantamaa, kohinaa, koteloa ja virrankulutusta koskevia suunnittelupäätöksiä. MEMS-inertia-antureiden, kuten kiihtyvyysmittareiden, osalta suunnittelijoiden täytyy ottaa huomioon myös anturin kaistanleveysominaisuudet, jotta vältetään ei-haluttujen signaalien laskostuminen anturin signaaliketjuun.

Tässä artikkelissa käsitellään laskostumisen perusperiaatteita anturijärjestelmissä ja useiden laskostumisvirheiden eliminointiin käytettävien menetelmien välisiä kompromisseja.

Taustaa

MEMS-kiihtyvyysmittareista¹ on tullut pääasiallinen ratkaisu värähtelymittaukseen sellaisissa sovelluksissa kuten tilaan perustuvassa valvonnassa (CbM), ennakoivassa huollossa (PdM), meluntorjunnassa, biometrisessä takaisinkytkennässä ja monissa muissa sovelluksissa. Pietsosähköisiin ja analogisiin antureihin perustuviin aikaisempiin ratkaisuihin verrattuna digitaaliset kiihtyvyysmittarit tarjoavat keskeisiä etuja, kuten alhaisen virrankulutuksen, alhaiset kustannukset ja pienet kotelokoot. Digitaalisten MEMS-kiihtyvyysmittareiden skaalautuvuuden ansiosta järjestelmäsuunnittelijat voivat käyttää järjestelmässä usein monia kiihtyvyysmittareita ja sijoittaa anturit itse fyysiseen värähtelypisteeseen, samalla kun niiden käyttö tapahtuu kauempaa. Näin järjestelmä voi toimia huipputehokkaasti ja tunnistaa inertialiikkeen paikallisesti reaaliaikaista analysointia ja välittömiä toimia varten.

Kuva 1: Digitaalisten kiihtyvyysmittareiden tyypilliset sovellukset. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Koska digitaaliset kiihtyvyysmittarit ovat täysin integroituja, suunnittelijoiden täytyy ottaa huomioon antureiden kaistanleveys ja taajuusvaste. Tämä pätee erityisesti värähtelysovelluksissa, joissa suunnittelijan on estettävä tulotaajuuden laskostuminen anturin lähdössä.

Nyquistin teoreema

Laskostumista esiintyy kiihtyvyysmittaripohjaisissa järjestelmissä, kun anturin näytteenottotaajuus on liian hidas tulosignaalin tarkkaan mittaamiseen. MEMS-anturisovelluksissa, kuten värähtelyn mittauksessa, laskostuminen voi johtaa katastrofaalisiin vikoihin, koska todellinen värähtelysignaali ei välttämättä sisällä laskostettua signaalia.

Kuvassa 2 on esimerkki laskostumisesta. Näytteenottotaajuus on pienempi kuin 2 kertaa värähtelytaajuus, minkä vuoksi tulos sisältää laskostetun aaltomuodon. Todellinen värähtely ei sisällä laskostettua signaalia, vaan se on tulovärähtelyn alinäytteistyksestä johtuva artefakti. Laskostettu signaali on peräisin värähtelyn nousu- ja laskukäyrästä mitatuista AD-muuntimen näytteistä ja interpoloitu edustamaan eri aaltomuotoa kuin todellinen värähtely.

Kuva 2: Alhaisesta näytteenottotaajuudesta johtuva laskostuminen. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Digitaalisessa signaalinkäsittelyssä vakiintunut näytteenottotaajuutta koskeva sääntö, joka tunnetaan nimellä Nyquistin teoreema, on esitetty yhtälössä 1. Tämän säännön mukaan laskostuminen voidaan estää käyttämällä näytteenottotaajuutta f(näytteenotto), joka on vähintään kaksinkertainen järjestelmän korkeimpaan taajuuteen nähden.

 Yhtälö (1)

Esimerkiksi 100 Hz:n värähtely pitäisi näytteistää vähintään >200 Hz:n taajuudella, jotta värähtelysignaali voitaisiin mitata ilman laskostumista. Kuten kuvassa 3 esitetään, todellinen värähtelysignaali saadaan mitattua oikein, kun näytteenottotaajuus on paljon vähimmäistaajuutta nopeampi. Ylinäytteistys on yksi menetelmä toteuttaa digitaalinen suodatus, mutta on huomattava, että signaaliketjuun voi silti vuotaa jonkin verran ei-haluttua signaalia.

Kuva 3: Ylinäytteistys estää laskostumisen anturin lähdössä. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Ylinäytteistysmenetelmän haittapuoli laskostumisen vähentämisessä on se, että virrankulutus on huomattavasti suurempi korkean näytteenottotaajuuden vuoksi. Tyypillisen anturin näytteenottotaajuus tai datan lähtönopeus (ODR) korreloi suoraan virrankulutuksen kanssa, kuten kuvassa 4 on esitetty. Virrankulutus kasvaa dramaattisesti näytteenottotaajuuden kasvaessa.

Kuva 4: Kiihtyvyysanturin virrankulutus. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Virrankulutusta voidaan vähentää laskemalla näytteenottotaajuutta lähemmäs Nyquistin taajuutta, kuten kuvassa 5 on esitetty. Tässä näytteenottotaajuus on alennettu 500 Hz:iin, mikä on noin 2,5 kertaa tavoitetaajuus. 500 Hz:n taajuudella todellinen värähtelyaaltomuoto voidaan yhä luoda uudelleen interpoloinnilla, ja virrankulutus pienenee verrattuna näytteenottoon 10-kertaisella tavoitetaajuudella.

Kuva 5: Näytteenottotaajuuden laskeminen 2,5-kertaiseksi värähtelytaajuuteen nähden. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Tämä on parannus edelliseen esimerkkiin verrattuna, mutta silti on olemassa vaara, että jokin odottamaton korkeataajuuksinen tulokomponentti voisi laskostua anturin signaaliketjuun.

Näytteenottotaajuus selitettynä

Yksi yleisimmistä kiihtyvyysmittareiden käyttöön liittyvistä kysymyksistä on se, miten valita tiettyyn sovellukseen sopiva näytteenottotaajuus. Näytteenottotaajuuden valinta on usein suorituskyvyn ja akun keston välinen kompromissi. Korkea näytteenottotaajuus voi johtaa valtaviin tiedostokokoihin, joita voi olla hankala käsitellä, jotka vaikeuttavat tiedonsiirtoa ja voivat heikentää energiatehokkuutta. Toisaalta liian alhainen näytteenottotaajuus voi aiheuttaa järjestelmässä laskostumista, kuten edellisissä esimerkeissä on esitetty.

Hyvä uutinen on se, että vähimmäisnäytteenottotaajuuden valintaan on olemassa vakiintuneet ohjeet. Sovelluksissa, joissa virrankulutusta ei tarvitse rajoittaa, näytteenottotaajuus voidaan asettaa moninkertaiseksi tapahtumataajuuteen nähden. Digitaalinen suodatus voi kuitenkin aiheuttaa laskostumista jopa korkeammilla näytteenottotaajuuksilla värähtelytietojen ja kohinan analogisen luonteen vuoksi.

Laskostumisen estosuodin (AAF)

Lisääntyneen virrankulutuksen lisäksi digitaalisen ylinäytteistyksen käyttöön liittyy muitakin huonoja puolia. Värähtely ei aina ole muodoltaan täydellinen siniaalto, vaan se sisältää usein korkeataajuisia komponentteja, kuten harmonisia yliaaltoja ja kohinaa. Näitä tekijöitä voidaan vähentää käyttämällä alipäästösuodatinta, jolla poistetaan ylimääräiset korkeat taajuudet ennen signaalin näytteenottoa. Tämä alipäästösuodatin, joka tunnetaan myös nimellä laskostumisen estosuodin, onkin lisätty valmiiksi joihinkin MEMS-kiihtyvyysmittareihin.

Kuva 6: Analoginen laskostumisen estosuodin (alipäästösuodatin). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Laskostumisen estosuodin toimii periaatteessa kuten alipäästösuodatin. Laskostumisen estosuodin poistaa korkeataajuiset komponentit ennen kuin AD-muunnin voi ottaa siitä näytteen. Laskostumisen estosuotimen täytyy sijaita ennen AD-muunninta, jotta konsepti toimisi. Jos laskostumisen estosuodin sijoitetaan AD-muuntimen jälkeen, siitä tulee digitaalinen suodatin, ja digitaalisen suodattimen ja ylinäytteistyksen haittoja on käsitelty edellä.

Kiihtyvyysmittariperhe sulautetulla laskostumisen estosuotimella

LIS2DU12 on 3-akselisten digitaalisten kiihtyvyysmittareiden perhe, jossa analogiseen etuasteeseen on sulautettu laskostumisen estosuodin. LIS2DU-versioita on kolme, joista jokainen tarjoaa perusrakenteen lisäksi omat uniikit ominaisuutensa. Kaikki kolme laitetta käyttävät STMicroelectronicsin 12-napaista MEMS-kiihtyvyysmittarikoteloa, jonka koko on 2 mm x 2 mm. Jokaisessa laitteessa käytetään samaa erittäin vähävirtaista arkkitehtuuria, ja laskostumisen estosuodin mahdollistaa markkinoiden alhaisimpiin kuuluvan virrankulutuksen. Tuoteperheen vertailu on esitetty alla.

LIS2DU12: Erittäin vähävirtainen kiihtyvyysmittari laskostumisen estolla ja liikkeentunnistuksella

LIS2DUX12: Erittäin vähävirtainen kiihtyvyysmittari laskostumisen estolla ja koneoppimisytimellä (MLC).

LIS2DUXS12: Erittäin vähävirtainen kiihtyvyysmittari Qvar-anturilla, koneoppimisytimellä ja laskostumisen estolla

LIS2DU-tuoteperheessä alipäästösuodatin on sijoitettu signaaliketjuun ennen AD-muunninta kohinan poistamiseksi ennen digitaalista muuntamista.

Erittäin tärkeän laskostumisen estosuotimen lisäksi LIS2DU12 sisältää useita kehittyneitä digitaalisia ominaisuuksia. Näiden ominaisuuksien tehtävänä on keventää päämikrokontrollerin kuormitusta toteuttamalla joitakin yleisesti käytettyjä toimintoja, kuten vapaapudotus, kallistus, kahden napautuksen tunnistus, suuntaus ja herätys. LIS2DUX12 sisältää myös sulautetun koneoppimisytimen (MLC) vielä edistyneempiä ominaisuuksia varten, joita voidaan kehittää haluttua sovellusta varten.

Kuva 7: LIS2DUX12-kiihtyvyysmittarin suodatinketju. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

LIS2DU12-mallin analogisen laskostumisen estosuotimen taajuusvaste on esitetty kuvassa 8. Kunkin alla olevan kuvaajan taajuusarvot 25–400 Hz viittaavat suodatinketjun kaistanleveysarvoihin.

Kuva 8: Analoginen laskostumisen estosuodin (alipäästösuodatin) LIS2DU12. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Lopputuloksena on, että LIS2DU12-perheen kiihtyvyysmittarit voivat toimia paljon alhaisemmalla virrankulutuksella ja saavuttaa samalla edellisen sukupolven kiihtyvyysmittareiden tarkkuuden. Kaikkiin kolmeen versioon on sulautettu laskostumisen estosuodin. Lisäksi LIS2DUX12 ja LIS2DUXS12 ovat STMicroelectronicsin ensimmäiset kuluttajille suunnatut MEMS-laitteet, joissa on sulautettu koneoppimisydin.

Yhteenveto

Laskostuminen on merkittävä virhelähde, joka voi johtaa järjestelmän virheelliseen toimintaan. Jotta laskostumisen vaikutuksia voidaan vähentää, suunnittelijan täytyy ensin ymmärtää järjestelmä ja ennakoida kaikkien anturiketjuun kuuluvien komponenttien taajuussisältö. Nyquistin teoreema määrittelee vähimmäisnäytteenottotaajuuden korkeimmalle mitattavalle taajuudelle.

Ylinäytteistys voi vähentää laskostumisen vaikutuksia, mutta se kasvattaa virrankulutusta. Paras menetelmä laskostumisen estämiseksi monissa sovelluksissa on poistaa ei-halutut taajuudet laskostumisen estosuotimella ennen kuin AD-muunnin muuntaa näytteet digitaalisiksi.

Muutaman ohjeen huomioon ottamalla suunnittelija voi valita sopivat näytteenotto- ja suodatustekniikat kuhunkin sovellukseen.

Lähteet

1. Ultralow-power accelerometer with anti-aliasing & motion detection (Erittäin vähävirtainen kiihtyvyysmittari laskostumisen estolla ja liikkeentunnistuksella)
2. LIS2DU12: advanced ultralow-power 3-axis accelerometer with anti-aliasing filter (LIS2DU12: edistyksellinen erittäin vähävirtainen 3-akselinen kiihtyvyysmittari laskostumisen estosuotimella)
3. Nyquist-Shannon sampling theorem, Shannon CE. Communication in the Presence of Noise. Proceedings of the IRE [Internet]. 194937-1-10-21 (Nyquist-Shannonin näytteenottoteoreema, Shannon CE. Kommunikaatio kohinaisessa ympäristössä. IRE-julkaisut [Internet] 1949 Tam; 37(1):10–21.)
4. LIS2DH12: advanced ultralow-power 3-axisaccelerometer (LIS2DH12: edistyksellinen erittäin vähävirtainen 3-akselinen kiihtyvyysmittari)