Orthogonal montierter Kombi-Sensor der Serie CMS390

Der CMS390 ist für die orthogonale Montage auf seiner Seite vorgesehen, nicht für eine flache Montage. Dabei liegen die Z-Achse der Drehratenmessung und die X-Achse der Beschleunigungsmessung parallel zur bestückten Leiterplatte (PCBA), während die Y-Achse der Beschleunigungsmessung senkrecht dazu steht. In Kombination mit einem flach montierten CMS300 auf derselben Baugruppe kann diese Anordnung die Realisierung einer Sensorik für alle Achsen vereinfachen. Die maximal angegebene Ausrichtungsabweichung der Drehraten- und Beschleunigungs­sensoren gegenüber dem Gehäuse bzw. der Montagefläche beträgt ±3 %. Wenn eine genauere Ausrichtung erforderlich ist, sollten präzise Positioniervorrichtungen, eine Prüfung der Baugruppe und eine prozessorbasierte Korrektur verbleibender Querachsenfehler vorgesehen werden.

Die passenden Einstellungen richten sich nach der maximal zu erwartenden Bewegung und der erforderlichen Signalauflösung. Der Drehratenmessbereich von ±150 °/s bietet eine typische Auflösung von 0,005 °/s. Die Einstellung ±300 °/s ermöglicht eine Auflösung von 0,01 °/s und bietet mehr Messreserve für schnellere Drehungen. Für die Beschleunigung stehen ±2,5 g mit einer typischen Auflösung von 0,079 mg oder ±10 g mit einer typischen Auflösung von 0,313 mg zur Auswahl. Die nominalen Bandbreiten des Gyroskops betragen 45, 55, 90 und 110 Hz. Bei den Beschleunigungskanälen sind 45, 62, 95 und 190 Hz einstellbar. Jeder Kanal lässt sich unabhängig konfigurieren. So kann die Bandbreite begrenzt werden, wenn geringes Rauschen wichtiger ist als eine schnelle Reaktion auf Signaländerungen.

Der Sensor arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 2,7 bis 3,6 V. Die vollständigen Leistungsdaten gelten jedoch nur im Bereich von 3,15 bis 3,45 V. Sowohl beim Einschalten als auch im eingeschwungenen Betrieb beträgt die spezifizierte Stromaufnahme maximal 8 mA. Der Ladestrom für externe Entkopplungskomponenten ist darin nicht enthalten. Die volle Leistungsfähigkeit wird nach typisch 150 ms und spätestens nach 300 ms erreicht. Der SPI-Takt kann zwischen 100 kHz und 7 MHz liegen, die Nachrichtenrate zwischen 1 Hz und 10 kHz. Der Host-Prozessor sollte die Anlaufzeit abwarten, bevor er kalibrierte Daten verwendet, und eine Aktualisierungsrate wählen, die zur eingestellten Sensorbandbreite passt.

Der CMS390 arbeitet bei −40 °C bis +125 °C. Einige der detaillierten Bias-Grenzwerte des Beschleunigungs­sensors gelten jedoch für den engeren Bereich von −40 °C bis +85 °C. Die temperaturbedingte Bias-Änderung des Gyroskops beträgt typisch ±1,0 °/s und maximal ±1,75 °/s. Die Skalenfaktoränderung liegt typisch unter ±1 % und beträgt maximal ±2,0 %. Der integrierte Temperaturkanal hat einen typischen Skalenfaktor von 11 LSB/°C. Die Grenzwerte für Offset und Wiederholgenauigkeit betragen ±20 °C bzw. ±5 °C. Damit eignet sich der Temperaturausgang zur Kompensation, jedoch nicht zur präzisen Messung der Umgebungstemperatur. Bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Lage- oder Navigationsgenauigkeit sollte die vollständig montierte Baugruppe charakterisiert und eine Korrektur durch den Host über das gesamte erwartete Temperaturprofil vorgenommen werden.

Das Gyroskop weist innerhalb einer Bandbreite bis 45 Hz ein typisches RMS-Rauschen von 0,06 °/s und einen Maximalwert von 0,1 °/s auf. Der Winkel-Random-Walk beträgt 0,40 °/√h. Die angegebene Bias-Instabilität liegt bei 10 °/h, sodass sich bei unkompensierter Integration mit der Zeit ein Winkelfehler aufbaut. Die Beschleunigungskanäle weisen bei einer Bandbreite von 45 Hz ein typisches RMS-Rauschen von 1 mg und einen Maximalwert von 2 mg auf. Der Geschwindigkeits-Random-Walk liegt unter 0,05 m/s/√h. Diese Werte eignen sich für Bewegungsmessung, Stabilisierung, Neigungsmessung und kostengünstigere Lagebestimmungs­systeme. Filterung und Kalibrierung bleiben jedoch erforderlich. Der resultierende Systemfehler hängt außerdem von Bandbreite, Abtastrate, Montageausrichtung, Vibrationen und dem vom Host-Prozessor verwendeten Fusionsalgorithmus ab.

Das Gehäuse misst 10,4 × 6,7 × 2,7 mm und wiegt etwa 0,6 g. Da der Sensor auf seiner Seite montiert wird, muss seine Platzierung genauer kontrolliert werden als bei einem herkömmlichen, flach montierten LCC-Bauteil. Das gilt besonders dann, wenn die Rechtwinkligkeit der Achsen die Systemgenauigkeit beeinflusst. Der Betriebstemperaturbereich reicht von −40 °C bis +125 °C, der zulässige Lagertemperaturbereich von −55 °C bis +150 °C. Die relative Luftfeuchtigkeit darf maximal 90 % betragen, nicht kondensierend. Der Sensor ist im Betrieb für eine Beschleunigung von 95 g bei einem Halbsinusimpuls von 6 ms ausgelegt und übersteht im eingeschalteten Zustand 1.000 g über 1 ms. Bei der Integrationsplanung sollten daher das Leiterplattenlayout, die Lötprozesse, die mechanische Abstützung und die Prüfung der Ausrichtung nach der Montage berücksichtigt werden.

Der per Befehl ausgelöste integrierte Selbsttest erzeugt definierte Testantworten in den Gyroskop- und Beschleunigungskanälen. So kann der Host prüfen, ob jeder Messpfad innerhalb des erwarteten Bereichs arbeitet. Bei +25 °C beträgt die typische Testantwort des Gyroskops +64 °/s im Messbereich ±150 °/s und +107 °/s im Messbereich ±300 °/s. Die typische Testantwort des Beschleunigungs­sensors beträgt +1,25 g im Messbereich ±2,5 g und +6,2 g im Messbereich ±10 g. Auch für den Temperaturbereich von −40 °C bis +125 °C sind die Schwankungen der Testantwort spezifiziert. Damit lassen sich temperaturabhängige Gut-/Schlecht-Grenzwerte festlegen. Der integrierte Selbsttest ist beim Einschalten und bei der Wartung hilfreich, ersetzt jedoch weder die anwendungsspezifische Kalibrierung noch die Prüfung der mechanischen Ausrichtung.