CAS200-Serie (zweiachsig, in der Ebene): leistungsstarker zweiachsiger Linearbeschleunigungs­sensor

Wählen Sie den kleinsten Messbereich, der die maximal zu erwartende Beschleunigung, kurzzeitige Lastspitzen und eine Auslegungsreserve abdeckt, ohne das Messsignal zu begrenzen. Der CAS211 bietet einen Messbereich von ±0,85 g bei einem digitalen Skalenfaktor von 33.500 LSB/g und einem Rauschen von bis zu 50 µg/√Hz. Damit eignet er sich für kleine Bewegungen, Neigungsmessungen und die Messung geringer Beschleunigungen. Der CAS212 und der CAS213 erweitern den Messbereich auf ±2,5 g beziehungsweise ±10 g. Der CAS214 und der CAS215 decken ±30 g beziehungsweise ±96 g ab, ihre digitalen Skalenfaktoren sinken jedoch auf 1.050 beziehungsweise 300 LSB/g, und das Rauschen nimmt zu. Die Schockfestigkeit im Betrieb von 1.000 g gibt an, welche Belastung der Sensor unbeschadet übersteht. Sie erweitert weder den messbaren Beschleunigungsbereich noch bietet sie zusätzliche Messreserven. Wählen Sie die Variante zunächst anhand der zu messenden Dynamik und der erforderlichen Überlastreserve aus. Gleichen Sie anschließend Rauschen, Auflösung und Skalenfaktor mit den Anforderungen Ihrer Anwendung ab.

Nutzen Sie SPI, wenn der Hostprozessor Beschleunigungs-, Temperatur- und Statusdaten direkt in digitaler Form benötigt oder wenn der Verzicht auf einen externen ADC die Entwicklung vereinfacht. Die Schnittstelle arbeitet als 4-Draht-SPI-Slave im Modus 0 mit 48-Bit-Nachrichten. Die empfohlene Nachrichtenrate beträgt 1 kHz, der zulässige Bereich reicht von 1 Hz bis 10 kHz. Die nominale Taktfrequenz liegt bei 1 MHz innerhalb eines zulässigen Bereichs von 100 kHz bis 8 MHz. Eine Abtastrate über 500 Hz wird empfohlen, um Aliasing zu reduzieren; die digitale Sensorbandbreite bleibt dabei über 170 Hz. Wählen Sie die Analogausgänge, wenn Ihre Schaltung von einer Bandbreite über 250 Hz profitiert oder bereits über eine geeignete Messkette verfügt. Da die Ausgänge ratiometrisch sind, müssen die ADC-Referenz und das Verhalten der Versorgung gemeinsam betrachtet werden. Berücksichtigen Sie bei der Schnittstellenwahl neben der Bandbreite auch Filterung, Synchronisierung und die Verarbeitung der integrierten Selbsttestfunktion.

Der Sensor ist bei 2,7 bis 3,6 V funktionsfähig. Alle spezifizierten Leistungsgrenzen setzen jedoch eine Versorgung im engeren Bereich von 3,15 bis 3,45 V über den gesamten Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis +125 °C voraus. Die Stromaufnahme beträgt typischerweise 3 mA, der spezifizierte Höchstwert liegt bei 5 mA. Platzieren Sie einen keramischen 100-nF-X7R-Abblockkondensator an der Hauptversorgung und ergänzen Sie in unmittelbarer Nähe einen 10-µF-Stützkondensator. Verwenden Sie für die Anschlüsse Vdd_Cap und Vref_Cap jeweils einen separaten 100-nF-X7R-Kondensator. Vermeiden Sie nach Möglichkeit Signal- oder Versorgungsleiterbahnen unter dem kapazitiven Sensorgehäuse, da diese Nullpunktabweichungen der Beschleunigungsmessung verursachen können. Diese Maßnahmen reduzieren Einkopplungen aus der Versorgung und verringern den Kompensationsaufwand bei der Kalibrierung des fertigen Systems.

Der CAS200 arbeitet bei −40 °C bis +125 °C und lässt sich bei −55 °C bis +150 °C lagern. Damit eignet er sich für Geräte, die Temperaturzyklen über einen großen Bereich ausgesetzt sind. Sein hermetisch dichtes Keramikgehäuse schützt vor Feuchtigkeit; als absoluter Grenzwert sind 90 % relative Luftfeuchte unter nicht kondensierenden Bedingungen angegeben. Die Schockfestigkeit im Betrieb beträgt 1.000 g bei einem Halbsinusimpuls von 1 ms. Im ausgeschalteten Zustand überstehen der CAS211 bis CAS213 6.500 g und der CAS214 sowie der CAS215 10.000 g, jeweils bei einem Halbsinusimpuls von 0,1 ms. Diese Werte beschreiben Belastungsgrenzen, die der Sensor unbeschadet übersteht, und keine Messbereiche. Leiterplatte, Lötstellen und die umgebende Baugruppe müssen weiterhin auf Anwendungsebene für die auftretenden Schock- und Vibrationsbelastungen qualifiziert werden.

Der digitale Signalpfad bietet eine Bandbreite über 170 Hz, der analoge Signalpfad über 250 Hz. Die nutzbare Auflösung hängt jedoch stark von der gewählten Variante und der nach der Filterung verbleibenden Bandbreite ab. Für eine Abschätzung erster Ordnung bei weißem Rauschen wird der Rauscheffektivwert berechnet, indem die spektrale Rauschdichte mit der Quadratwurzel der Messbandbreite multipliziert wird. Bei einer Bandbreite von 100 Hz entspricht der Rauschwert des CAS211 von 50 µg/√Hz etwa 0,5 mg RMS. Der Wert des CAS215 von 1.200 µg/√Hz entspricht dagegen etwa 12 mg RMS. Eine schmalbandigere Filterung kann das integrierte Rauschen reduzieren, wenn die Anwendung nicht die volle Ansprechbandbreite benötigt. Wählen Sie Beschleunigungsmessbereich und Signalbandbreite daher gemeinsam aus, statt sie als voneinander unabhängige Anforderungen zu betrachten.

Ja, der integrierte Temperaturkanal kann die Temperaturkompensation im Hostsystem und die Überwachung der Betriebsbedingungen unterstützen. Der digitale Ausgang hat einen typischen Skalenfaktor von 11 LSB/°C und einen Offset von 2.380 LSB bei +25 °C. Der analoge Ausgang liefert 5 mV/°C bei einem Offset von etwa 1,49 V bei +25 °C. Die angegebene Wiederholgenauigkeit der Temperaturmessung liegt innerhalb von ±5 °C. Wo eine präzise Messung der Umgebungstemperatur erforderlich ist, sollte dieser Kanal daher keinen kalibrierten externen Sensor ersetzen. Besonders nützlich ist er, um den Zusammenhang zwischen der Nullpunktabweichung und dem Skalenfaktor der Beschleunigungsmessung einerseits und dem thermischen Zustand des Sensors andererseits zu erfassen. Ermitteln Sie die Kompensationskurven an der fertig montierten Baugruppe, da Leiterplattenlayout, mechanische Spannungen durch die Montage und lokale Erwärmung das Verhalten des fertigen Systems beeinflussen können.

Mit der passenden CAS21x-Evaluierungsplatine lassen sich der gewählte Messbereich und die Schnittstelle überprüfen, bevor das Leiterplattendesign des Hostsystems abgeschlossen wird. Die Platine misst 34 × 26 mm, wird mit 3,3 V betrieben und bietet Zugang zu beiden Analogausgängen sowie zum SPI-Bus der CAS21x-Varianten mit Messbereichen von ±0,85 g bis ±96 g. Damit lassen sich Skalierung, Bandbreite, Rauschen, Nachrichtenverarbeitung und Temperaturdaten frühzeitig mit dem vorgesehenen Baustein prüfen. Die Platine ist zur Evaluierung und nicht zur dauerhaften Integration als Teilsystem gedacht. Ihr mechanisches Verhalten, ihre EMV-Eigenschaften und ihr Verhalten unter Umwelteinflüssen lassen sich daher nicht direkt auf die endgültige Baugruppe übertragen. Für ein Serienprodukt sind weiterhin die empfohlene Entkopplung, ein sorgfältig ausgelegtes Leiterplattenlayout, ein validierter Montageprozess und eine Kalibrierung auf Systemebene erforderlich.