ADXL203型双轴加速计及其在倾斜度测量中的应用

1、ADXL203型双轴加速计及其在倾斜度测量中的应用 一、概述美国模拟器件公司（简称ADI）凭借其独特的iMEMS(集成MEMS)工艺能使传感器单元和信号调理电路集成在一颗芯片上，不仅减小器件尺寸、降低功耗和节省成本，同时提高性能和定制生产能力。ADI推出的ADXL203 是一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片双轴加速计，具有信号可调的电压输出。输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到1000mV/g。该加速计既可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量，此时可以替代倾斜角传感器进行倾斜测量。本文在详细介绍了加速计ADXL203 的结构及

2、原理，给出它与ADuC847组成的倾斜度测量实现电路，并对其进行了分析。该电路具有实现简单、精度高的特点。二、 性能特点ADXL203典型测量范围在±1.7 g，该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度，可承受3500g极限加速度。其下拉电流小于700 µA，灵敏度达到1000mV/g。该加速计在40°C 到125°C温度范围内，具有±0.3%的温度灵敏性；±25 mg的零点偏移精度；在小于60 Hz的带宽下具有解决小于1 mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于

3、0.1 mg/°C的稳定性。采用5×5×2 mm的LCC的封装。ADXL203的管脚封装及引脚功能如图1和表1所示。图1 ADXL203管脚图表1 ADXL203管脚功能管脚序号管脚名称管脚功能1ST自检电压输入2DNC空白脚3COM公共地4DNC空白脚5DNC空白脚6YOUTY轴电压输出7XOUTX轴电压输出8VS3V到6V三、 工作原理ADXL203内部电路框图如图2所示。传感器输出幅值与所测加速度成正比的方波信号，经过信号交流放大，相敏检波、低通滤波，得到与加速度成比例的电压信号。图2 ADXL203内部电路框图 传感器主要是由一个利用表

4、面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。多晶硅结构由多晶硅弹簧支撑,处于晶片的顶部,并与差动电容的运动的中心极板相连。分别在差动电容的固定的上下极板上加两路幅度相等、相位差为180的方波。在加速度的作用下,多晶硅结构会产生偏移,拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容容值不同，便在中心极板产生电压，传感器输出方波。输出方波的幅值与测量的加速度成正比。三、使用说明1、电源退藕一般情况下，为了滤出供电电源产生的噪声，只需在加速计的VS和COM脚间接一个0.1F的电容，即图2中的CCD。但是，在有些情况下，特别是当内部时钟频率为140KHZ时，供电电源产生的噪声就会对加速计的输出信号产生不可忽视

5、的干扰。当需要格外加退藕装置的时候，可以在加速计的供电电路中串入一个100（或更小）的电阻。另外，还可以在CCD上并联一个大阻值的旁路电容，容值在1F22F之间选择。2、带宽设置ADXL203的带宽是通过XOUT和YOUT脚连接的电容CX、CY来设置的。XOUT和YOUT脚必须连接电容以实现低通滤波，从而实现对信号的去锯齿和噪声削弱。-3dB带宽的计算公式为：或者，简化成，加速计ADXL203的内部电阻RFILT的标称值为32K，而其实际阻值可在14K40K间选择，加速计的带宽计算也就要相应的产生变化。表2给出RFILT为32K时滤波电容CX、CY的容值选择与带宽的对应关系。应注意的是，任何情

6、况下CX、CY的容值都不能小于2000pF。表2 滤波电容CX、CY的容值选择带宽（HZ）电容（F）14.7100.47500.101000.052000.0275000.01另外，建立时间会随着CX、CY的增大而增大。其计算公式为：，其中C表示CX或者CY，单位为F。选CX、CY为0.1F时，开启时间为20ms。3、自检模式ADXL203的ST脚为自检电平输入端。当ST脚接VS时，加速计进入自检模式，此时会在传感器中心极板产生静电力，使其偏移。由加速计输出电压的值就可以判断出加速计功能是否正常。自检时，输出端的典型电压变化量为700mV（对应700mg的加速度）。在非自检模式时，ST脚可以开

7、路或接COM端。ST脚所接的电压大小不可超过VS+0.3V。如果在电路设计时不能保证这一点（例多电压供电时），最好能在ST和VS脚间接入一个低正向电压VF的箝位二极管。4、噪声与带宽的权衡选择ADXL203输出信号带宽决定了测量精度。可通过滤波减小噪声底密度，提高测量精度。其输出信号带宽的典型值为2.5KHZ。对信号进行滤波，可以有效防止频率混叠。ADXL203允许根据实际需要改变XOUT、YOUT脚处的滤波电容大小来设置输出信号的带宽。但要保证其输出信号带宽不能超过AD转换采样频率大小的一半。当进一步减小信号带宽时，可以减小噪声，提高测量精度。ADXL203的噪声属于高斯白噪声，即其功率谱密

8、度在所有频率下为常数。噪声（rms）的计算公式为：例如，带宽为100HZ时的噪声大小为：噪声与信号带宽的平方根成正比，使用时应根据需要尽量地减小带宽，以提高加速计测量精度，增大测量动态范围。噪声峰-峰值的估算可参照表2。而表3给出的是CX、CY的选择与噪声峰-峰值的对应关系。表3 噪声峰-峰值估计参照表噪声额定峰-峰值噪声峰-峰值超额的几率2rms324rms4.66rms0.278rms0.0006表4 CX、CY值与噪声峰-峰值对照表带宽（HZ）CX、CY(F)RMS噪声（mg）噪声峰-峰值估计（mg）100.470.42.6500.11.061000.0471.48.45000.013.

9、118.75、供电电压ADXL203的性能都是在5V典型电压供电时测试和标定的。实际上，供电电压VS可以在3V6V之间选择。选择不同的供电电压，加速计的一些性能指标自然就会随之改变。ADXL203的输出电压与加速度是成比例的，当供电电压改变时，灵敏度就会发生相应改变，影响测量精度。例如，当VS=3V时，输出电压比例系数变为560mV/g。0g对应输出电压也是与VS成比例的，其值为VS/2。输出噪声虽然不与VS成比例，但其大小也受到很大影响。因为当增大供电电压时，输出电压比例系数就会增大，而噪声电压保持不变。所以，噪声密度随着供电电压的增大而减小。当VS=3V时，噪声密度为。自检模式的g值输出可

10、以粗略地认为是与供电电压的平方成正比。而灵敏度系数又是与供电电压成比例的，所以自检模式时的电压输出就与供电电压的立方成正比。在VS=3V时，自检输出典型值约为150mV，对应的g值为270mg。当供电电压减小时，供电电流随之减小。3V电压供电时的供电电流为450A。四、ADXL203在倾斜度测量中的应用1、测量原理ADXL203最常见的应用是进行倾斜度测量。加速计以重力矢量作为基准来测定物体的空间方位。当加速计的感应轴与重力方向垂直（即感应轴水平）时，它对倾斜度的变化是最敏感的，倾斜度每变化1，输出g值变化17.5mg；当感应轴与水平成45角时，倾斜度每变化1，输出g值变化只有12.2mg；而

11、当感应轴与重力方向接近平行时(所感应到的加速度接近+g或-g)，倾斜度每变化1，加速计输出几乎没有什么变化。随着测量倾斜角度的增大，测量精度下降。图3 重力矢量关系图将加速计的X和Y轴都水平放置，就可以作为双轴倾斜计测量倾斜度了。如图3所示。将输出模拟电压信号VX，VY换算成对应的g值变化量AX，AY，代入下面公式计算得到X、Y轴的倾斜角度俯仰角（pitch）和倾斜角（roll）。2、测量电路ADXL203输出的是模拟电压信号，可直接进行AD采样。这里选用ADI(Analog Devices Inc.)公司的单片机ADuC847，其内部集成了速度可达420kSPS的24位-ADC。硬件连接图如

12、图4所示。图4 硬件连接图ADXL203输出的X、Y轴的测量信号分别经低通滤波，然后通过差动输入方式输入到ADC，其中VIN（-）端接2.5V电压。而为了得到更高的精度，我们给ADC外接2.5V参考电压。另外，为了滤出供电电源产生的噪声，图中采用0.1u和10u电容并联接入供电电路进行电源退藕。3、参数设置及分析我们设计的系统要求倾斜测量分辨率达到0.06°，测量范围0°10°。那么加速计及ADC的参数应该如何设置才能达到测量要求呢？下面对此进行分析。对于加速计ADXL203，测量得到的g与所测角度的函数曲线是一段正弦曲线，如图5所示。图5 g值与关系曲线由于测量

13、得到的g与所测角度为非线性关系，所以测量范围内，变化0.06°对应的g值变化量会随所测量角度大小的变化而变化。当在0°10°范围内时，当时，当时，。当在0°-10°范围内时，当时，。可见，加速计在0g位置时具有最高灵敏度，随着倾斜角度的增大，灵敏度降低。所以系统至少要分辨出1.03mg的g值变化，对应电压输出变化量为1.03mV。ADXL203的可选带宽为0.5HZ2500HZ。我们这里是为了对某时刻的倾斜角的进行测量，设置加速计1HZ带宽即可以满足测量要求。此时加速计噪声均方值：此时，滤波电容大小选为。相应的建立时间为：ADuC847内部集成

14、的-ADC数据刷新率越低，越有利于提高分辨率。我们通过ADuC847内部SF寄存器设置ADC的数据刷新率为16.06HZ，既得到相同条件下更好的分辨率，又保证不丢失任何测量信号信息。加速计的0g输出电压为2.5V，输出电压范围为2.3V2.7V，则相应选择ADC输入电压范围即可。这时ADC达到17位无噪声码分辨率。于是：量化噪声。传感器输出信号中的噪声，将对ADC转换结果造成误差，影响精度。另一方面，AD本身的有效输入噪声、量化噪声等都会影响ADC转换精度。-ADC利用过采样原理，通过数字滤波和抽取，移去带外量化噪声并改善ADC的分辨率，提高转换精度。五、结论ADXL203是晶体硅固体结构的加速计，它受温度的影响极小，保证了系统的稳定性。利用ADXL203进行倾斜测量精度高，功耗低。而它体积小，双轴输入，又能减化了电路的设计和安装。文中给出