ADXL203型双轴加速计及其在倾斜度测量中的应用.doc

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MEMS(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，减小尺寸、降低功耗和节省成本，同时提高性能和定制生产能力。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。ADXL203?的结构及原理，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。 性能特点 ADXL203典型测量范围在±1.7?g，该既可测量静态的也可测量动态的加速度，其下拉电流小于700?μA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0?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0.1?mg/°C的稳定性。采用5×5×2?mm的LCC的封装。ADXL203 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 1 ST 自检电压输入 2 DNC 空白脚 3 COM 公共地 4 DNC 空白脚 5 DNC 空白脚 6 YOUT Y轴电压输出 7 XOUT X轴电压输出 8 VS 3V到6V 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0.1μF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100Ω（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1μF~22μF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32KΩ，而其实际阻值可在14KΩ~40KΩ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32KΩ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（μF） 1 4.7 10 0.47 50 0.10 100 0.05 200 0.027 500 0.01 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μF。选CX、CY为0.1μF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