ADXL203型双轴加速计在倾斜度测量的应用

　　1 概述

　　美国模拟器件公司(ADI)凭借其独特的iMEMS(集成MEMS)工艺将传感器单元和信号调理电路集成在一片芯片上，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。ADXL203是一款高精度、低功耗及单一的iMEMS型双轴加速计，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1 000 mV／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。

　　2 性能特点

　　ADXL203典型测量范围为1.7 g，该加速计既可测量静态加速度可测量动态加速度，承受3 500 g极限加速度。其下拉电流小于700 μA，灵敏度达到1 000 mV／g。该加速计在-40℃～125℃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的带宽下具有小于1 mg的解决方案(0.06倾斜)以及优于0.1 mg／℃稳定性。采用5mm5 mm2 mm的LCC封装。ADXL203的引脚排列及引脚功能分别如图1和表1所示。

　　3 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。

　　 传感器主要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中心极板相连。分别在差动电容的固定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。输出方波的幅值与所测的加速度成正比。

　　4 使用说明

　　4.1 电源退耦

　　一般情况下，为了滤除供电电源产生的噪声，只需在加速计的VS和COM引脚间接一只0.1μF的电容，即图2中的CDC。但是，在有些情况下，特别是当内部时钟频率为140 kHz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。当需要格外加退耦装置的时候，可以在加速计的供电电路中串入一个100 Ω(或更小)的电阻。另外，还可以在CDC上并联一只大阻值的旁路电容，容值在1μF～22μF之间选择。

　　4.2 带宽设置

　　ADXL203的带宽是通过XOUT和YOUT引脚连接的电容CX、CY来设置的。XOUT和YOUT引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。-3 dB带宽的计算公式为：

　　ADXL203的内部电阻尺RILT的标称值为32 kΩ，而其实际阻值可在14 kΩ～40 kΩ间选择，加速计的带宽计算也要相应的产生变化。表2给出RFILT、为32 kΩ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2 000 pF。

　　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CY为0.1μF时，开启时间为20 ms。

　　4.3 自检模式

　 　ADXL203的ST引脚为自检电平输入端。当ST引脚接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700 mV(对应加速度为 700 mg)。在非自检模式时，ST引脚可以开路或接COM端。

　　ST引脚所接的电压大小不能超过VS+0.3 V。如果在电路设计时不能保证这一点(如多电压供电时)，最好能在ST和VS引脚间接入一个低正向电压VF的箝位二极管。

　　4.4 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低密度，提高测量精度。其输出信号带宽的典型值为2.5 kHz。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引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A／D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，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100 Hz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3。而表4给出的是GX、GY的选择与噪声峰-峰值的对应关系。

　　 4.5 供电电压

　　ADXL203的性能都是在5 V典型电压供电时测试和标定的。实际上，供电电压VS可在3 V～6 V之间选择。供电电压不同时，加速计的一些性能指标自然也会随之改变。

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=3 V时，输出电压比例系