Digitaalinen signaalinkäsittelylohko ja synkronoija anturimikropiiriin

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-16
Department
Major/Subject
Mikro- ja nanotekniikka
Mcode
S3010
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
fi
Pages
67+5
Series
Abstract
Tässä diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin tutkimuskäyttöön tarkoitetulle, kaksiakseliselle kiihtyvyysanturipiirille digitaaliset lohkot, joihin kuului kaksi desimoivaa CIC-suodatinta, SPI-tiedonsiirtoväylä, muistirekisterit säätöbittejä varten, tasapoikkeaman- ja vahvistuksenkorjaimet kiihtyvyyslukemille sekä synkronoija. Piirin AD-muuntimilta saadaan kahden akselin kiihtyvyyksien suuruus yksibittisenä digitaalisena datana. Desimointisuodattimet kasvattavat datan sananleveyttä, suodattavat sitä ja pienentävät sen näytteistystaajuutta. Vaatimuksena oli, ettei kiihtyvyysdatan signaali-kohinasuhde saa pienentyä merkittävästi laskostumisen takia. SPI-väylällä puolestaan mahdollistettiin analogisten ja digitaalisten lohkojen toimintaa säätävien bittien syöttäminen piirille ja digitaalisen kiihtyvyysdatan lukeminen ulkoisen lukijan, esimerkiksi mikrokontrollerin tai tietokoneen, avulla. Kiihtyvyyslukeman tasapoikkeaman ja vahvistuksen korjauksella saadaan pienennettyä piiriyksilöiden antamien kiihtyvyyslukemien välisiä eroja ja synkronoijalla vähennetään merkittävästi asynkronisesta kiihtyvyysdatan lukemisesta aiheutuvia lukemavirheitä. AD-muuntimilta tulevan kiihtyvyysdatan näytteistystaajuus on 100 kHz ja CIC-suodattimet pudottavat sen 100 Hz:iin. Molempien CIC-suodattimien lähdössä sananleveys on 31 bittiä, joka lyhennetään 24-bittiseksi ennen poikkeaman ja vahvistuksen korjaamista. Digitaalilohkot toteutettiin 0,35 um:n CMOS-teknologialla ja niiden käyttöjännite on 3,3 V. Digitaalisolujen käyttämä kokonaispinta-ala on 0,60 mm^2 ja lohkojen kokonaisvirrankulutus on 12 uA, kun molempien akselien 24-bittisiä kiihtyvyysarvoja luetaan SPI-väylän kautta nopeudella 100 näytettä per sekunti.

In this Master's thesis, digital integrated circuit blocks were designed and processed for an integrated 2-axis accelerometer microcircuit for a research project. Implemented blocks consist of two decimating CIC filters, an SPI communication interface, memory registers for control bits, a synchronizer and adders and a shared multiplier for correcting the offset and gain of the acceleration outputs. The analog-to-digital converters of the accelerometer system produce 1-bit output data streams. The CIC filters increase the word lengths of the data, filter the noise and decrease the sampling rates. The SPI interface enables writing and reading of control bits for the analog and digital blocks and reading of the acceleration data e.g. with a microcontroller. By using the offset and gain correction, variation of outputs of a set of multiple accelerometer circuits can be decreased. The synchronizer significantly decreases the probability of occurrence of erroneous acceleration values received by an SPI master device when acceleration data is read through the SPI interface asynchronously. Sampling frequency of the 1-bit data from the analog-to-digital converters is 100 kHz. The CIC filters decrease the sampling frequency to 100 Hz and increase the word lengths to 31 bits. The word lengths are truncated to 24 bits and the offsets and gains are corrected by the adders and the shared Booth multiplier. The accelerometer system with the digital block was processed in a 0.35 um CMOS process, whose nominal supply voltage is 3.3 V. The area of the digital core is 0.60 mm^2. Current consumption of the implemented digital blocks is 12 uA, when CIC filters are running and all 24 acceleration data bits of both axes are read at the speed of 100 samples per second.
Description
Supervisor
Halonen, Kari
Thesis advisor
Aaltonen, Lasse
Keywords
CIC filter, decimation, integrated circuit, metastability, synchronization, synthesis, VHDL, ASIC, CIC-suodatin, CMOS, desimointi, DSP, integroitu piiri, metastabiilisuus, mikropiiri, SPI, synkronointi, synteesi
Other note
Citation