ADXL203型雙軸加速計(jì)在傾斜度測(cè)量中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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概述

美國(guó)模擬器件公司(ADI)憑借其獨(dú)特的iMEMS(集成MEMS)工藝將傳感器單元和信號(hào)調(diào)理電路集成在一片芯片上，不僅減小器件尺寸、降低功耗和節(jié)省成本，同時(shí)提高性能和定制生產(chǎn)能力。ADXL203是一款高精度、低功耗及單一的iMEMS型雙軸加速計(jì)，具有信號(hào)可調(diào)的電壓輸出。輸出量為一個(gè)與加速度成比例的模擬電壓信號(hào)，比例系數(shù)達(dá)到1000mV／g。該加速計(jì)既可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，又可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如重力加速度的靜態(tài)測(cè)量，此時(shí)可以替代傾斜角傳感器進(jìn)行傾斜測(cè)量。

2性能特點(diǎn)

ADXL203典型測(cè)量范圍為±1.7g，該加速計(jì)既可測(cè)量靜態(tài)加速度可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，承受3500g極限加速度。其下拉電流小于700μA，靈敏度達(dá)到1000mV／g。該加速計(jì)在-40℃～125℃溫度范圍內(nèi)，具有±0.3％的溫度靈敏性；+25mg的零點(diǎn)偏移精度；在小于60Hz的帶寬下具有小于1mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優(yōu)于0.1mg／℃穩(wěn)定性。采用5mm×5mm×2mm的LCC封裝。

3工作原理

傳感器輸出幅值與所測(cè)加速度成正比的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)交流放大、相敏檢波、低通濾波，得到與加速度成比例的電壓信號(hào)。

傳感器主要由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。多晶硅結(jié)構(gòu)由多晶硅彈簧支撐，處于晶片的頂部，并與差動(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)中心極板相連。分別在差動(dòng)電容的固定上下極板上加兩路幅度相等、相位差為180°的方波。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移，拉動(dòng)差動(dòng)電容的中心極板滑動(dòng)，使兩個(gè)電容容值不同，便在中心極板產(chǎn)生電壓，傳感器輸出方波。輸出方波的幅值與所測(cè)的加速度成正比。

4使用說(shuō)明

4.1電源退耦

一般情況下，為了濾除供電電源產(chǎn)生的噪聲，只需在加速計(jì)的VS和COM引腳間接一只0.1μF的電容，即圖2中的CDC。但是，在有些情況下，特別是當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率為140kHz時(shí)，供電電源產(chǎn)生的噪聲就會(huì)對(duì)加速計(jì)的輸出信號(hào)產(chǎn)生不可忽視的干擾。當(dāng)需要格外加退耦裝置的時(shí)候，可以在加速計(jì)的供電電路中串入一個(gè)100Ω(或更小)的電阻。另外，還可以在CDC上并聯(lián)一只大阻值的旁路電容，容值在1μF～22μF之間選擇。

4.2帶寬設(shè)置

ADXL203的帶寬是通過(guò)XOUT和YOUT引腳連接的電容CX、CY來(lái)設(shè)置的。XOUT和YOUT引腳必須連接電容以實(shí)現(xiàn)低通濾波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的去鋸齒和噪聲削弱。-3dB帶寬的計(jì)算公式為：

ADXL203的內(nèi)部電阻尺RILT的標(biāo)稱(chēng)值為32kΩ，而其實(shí)際阻值可在14kΩ～40kΩ間選擇，加速計(jì)的帶寬計(jì)算也要相應(yīng)的產(chǎn)生變化。表2給出RFILT、為32kΩ時(shí)濾波電容CX、CY的容值選擇與帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系。應(yīng)注意的是，任何情況下CX、CY的容值都不能小于2000pF。

另外，建立時(shí)間會(huì)隨著CX、CY的增大而增大。其計(jì)算公式為：

其中C表示CX或者CY，單位為μF。選CY為0.1μF時(shí)，開(kāi)啟時(shí)間為20ms。

4.3自檢模式

ADXL203的ST引腳為自檢電平輸入端。當(dāng)ST引腳接VS時(shí)，加速計(jì)進(jìn)入自檢模式，此時(shí)會(huì)在傳感器中心極板產(chǎn)生靜電力，使其偏移。由加速計(jì)輸出電壓的值就可以判斷出加速計(jì)功能是否正常。自檢時(shí)，輸出端的典型電壓變化量為700mV(對(duì)應(yīng)加速度為700mg)。在非自檢模式時(shí)，ST引腳可以開(kāi)路或接COM端。

ST引腳所接的電壓大小不能超過(guò)VS+0.3V。如果在電路設(shè)計(jì)時(shí)不能保證這一點(diǎn)(如多電壓供電時(shí))，能在ST和VS引腳間接入一個(gè)低正向電壓VF的箝位二極管。

4.4噪聲與帶寬的權(quán)衡選擇

ADXL203輸出信號(hào)帶寬決定了測(cè)量精度。可通過(guò)濾波減小噪聲低密度，提高測(cè)量精度。其輸出信號(hào)帶寬的典型值為2.5kHz。對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波可以有效防止頻率混疊。ADXL203允許根據(jù)實(shí)際需要改變XOUT、YOUT引腳處的濾波電容大小來(lái)設(shè)置輸出信號(hào)的帶寬。但要保證其輸出信號(hào)帶寬不能超過(guò)A／D轉(zhuǎn)換采樣頻率大小的一半。當(dāng)進(jìn)一步減小信號(hào)帶寬時(shí)，可以減小噪聲，提高測(cè)量精度。

ADXL203的噪聲屬于高斯白噪聲，其功率譜密度在所有頻率下為常數(shù)。噪聲(RMS)的計(jì)算公式為：

例如，帶寬為100Hz時(shí)的噪聲大小為：

噪聲與信號(hào)帶寬的平方根成正比，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要盡量減小帶寬，以提高加速計(jì)測(cè)量精度，增大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。

噪聲峰-峰值的估算可參照表3。而表4給出的是GX、GY的選擇與噪聲峰-峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.5供電電壓

ADXL203的性能都是在5V典型電壓供電時(shí)測(cè)試和標(biāo)定的。實(shí)際上，供電電壓VS可在3V～6V之間選擇。供電電壓不同時(shí)，加速計(jì)的一些性能指標(biāo)自然也會(huì)隨之改變。

ADXL203的輸出電壓與加速度是成比例的，當(dāng)供電電壓改變時(shí)，靈敏度就會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，影響測(cè)量精度。例如，當(dāng)VS=3V時(shí)，輸出電壓比例系數(shù)變?yōu)?60mV/g。

0g對(duì)應(yīng)輸出電壓也與VS成比例，其值為VS/2。

輸出噪聲雖然不與VS成比例，但其大小也受到很大影響。因?yàn)楫?dāng)增大供電電壓時(shí)，輸出電壓比例系數(shù)就會(huì)增大，而噪聲電壓保持不變。所以，噪聲密度隨著供電電壓的增大而減小。當(dāng)VS=3V時(shí)，噪聲密度為190μg／(Hz)1/2。

自檢模式的g值輸出可以粗略地認(rèn)為與供電電壓的平方成正比。而靈敏度系數(shù)又是與供電電壓成比例的，所以自檢模式時(shí)的電壓輸出就與供電電壓的立方成正比。在VS=3V時(shí)，自檢輸出典型值約為150mV，對(duì)應(yīng)的g值為270mg。

當(dāng)供電電壓減小時(shí)，供電電流隨之減小。3V電壓供電時(shí)的供電電流為450μA。

5ADXL203在傾斜度測(cè)量中的應(yīng)用

5.1測(cè)量原理

ADXL203常見(jiàn)的應(yīng)用是進(jìn)行傾斜度測(cè)量。加速計(jì)以重力矢量作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)定物體的空間方位。當(dāng)加速計(jì)的感應(yīng)軸與重力方向垂直(即感應(yīng)軸水平)時(shí)，它對(duì)傾斜度的變化是敏感的，傾斜度每變化1°，輸出g值變化17.5mg；當(dāng)感應(yīng)軸與水平成45°角時(shí)，傾斜度每變化1°，輸出g值變化12.2mg；而當(dāng)感應(yīng)軸與重力方向接近平行時(shí)(所感應(yīng)到的加速度接近+g或-g)，傾斜度每變化1°，加速計(jì)輸出幾乎沒(méi)有什么變化。隨著測(cè)量?jī)A斜角度的增大，測(cè)量精度下降。

將加速計(jì)的X和Y軸都水平放置，就可以作為雙軸傾斜計(jì)測(cè)量?jī)A斜度，如圖3所示。將輸出模擬電壓信號(hào)VX，VY換算成對(duì)應(yīng)的g值變化量AX，AY為：

代入下面公式計(jì)算得到X、Y軸的傾斜角度俯仰角(pitch)和傾斜角(roll)。

5.2測(cè)量電路

ADXL203輸出的是模擬電壓信號(hào)。可直接進(jìn)行A／D采樣。這里選用ADI公司的單片機(jī)ADuC847，其內(nèi)部集成了速度可以達(dá)到420ks／s的24位△-∑ADC。

ADXL203輸出的X、Y軸的測(cè)量信號(hào)分別經(jīng)低通濾波，再通過(guò)差動(dòng)輸入方式輸入ADC，其中VIN㈠端接2.5V電壓。而為了得到更高的精度，給ADC外接2.5V參考電壓。另外，為了濾除供電電源產(chǎn)生的噪聲，圖中采用0.1μF和10μF電容并聯(lián)接入供電電路進(jìn)行電源退耦。

5.3參數(shù)設(shè)置及分析

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求傾斜測(cè)量分辨率達(dá)到0.06°，測(cè)量范圍0°～100°則加速計(jì)及ADC的參數(shù)應(yīng)該如何設(shè)置才能達(dá)到測(cè)量要求呢?下面對(duì)此進(jìn)行分析。對(duì)于加速計(jì)ADXL203，測(cè)量得到的g與所測(cè)角度α的函數(shù)曲線是一段正弦曲線，如圖5所示。由于g與α為非線性關(guān)系，所以測(cè)量范圍內(nèi)，α變化0.06°對(duì)應(yīng)的g值變化量會(huì)隨所測(cè)量角度大小的變化而變化。

當(dāng)α=-10°時(shí)，△g=1.03mg。可見(jiàn)，加速計(jì)在0g位置時(shí)具有靈敏度，隨著傾斜角度的增大，靈敏度降低。所以系統(tǒng)至少要分辨出1.03mg的g值變化，對(duì)應(yīng)電壓輸出變化量為1.03mV。

ADXL203的可選帶寬范圍為0.5Hz～2500Hz。這里是為了對(duì)某時(shí)刻的傾斜角進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置加速計(jì)1Hz帶寬即可以滿足測(cè)量要求。此時(shí)加速計(jì)噪聲均方值為：

此時(shí)，濾波電容大小選為4.7μF。

其建立時(shí)間為ton=160×4.7μF+4ms=756ms。

ADuC847內(nèi)部集成的△-∑ADC數(shù)據(jù)刷新率越低，越有利于提高分辨率?？赏ㄟ^(guò)ADuC847內(nèi)部SF寄存器設(shè)置ADC的數(shù)據(jù)刷新率為16.06Hz。這樣既可得到相同條件下更好的分辨率，又保證不丟失任何測(cè)量信號(hào)信息。加速計(jì)的0g輸出電壓為2.5V，輸出電壓范圍為2.3V～2.7V，則相應(yīng)選擇ADC輸入電壓范圍+320mV即可。這時(shí)ADC達(dá)到17位無(wú)噪聲碼分辨率。于是：

LSB=640mV／217=0.005mV，量化噪聲±0.0025mV。

傳感器輸出信號(hào)中的噪聲，將對(duì)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生誤差，影響精度。另一方面，ADC本身的有效輸入噪聲、量化