1、ADXL203型雙軸加速計及其在傾斜度測量中的應用 一、概述美國模擬器件公司（簡稱ADI）憑借其獨特的iMEMS(集成MEMS)工藝能使傳感器單元和信號調理電路集成在一顆芯片上，不僅減小器件尺寸、降低功耗和節省成本，同時提高性能和定制生產能力。ADI推出的ADXL203 是一種高精度、低功耗及單一的iMEMS型IC芯片雙軸加速計，具有信號可調的電壓輸出。輸出量為一個與加速度成比例的模擬電壓信號，比例系數達到1000mV/g。該加速計既可測量動態加速度，又可以用來實現諸如重力加速度的靜態測量，此時可以替代傾斜角傳感器進行傾斜測量。本文在詳細介紹了加速計ADXL203 的結構及

2、原理，給出它與ADuC847組成的傾斜度測量實現電路，并對其進行了分析。該電路具有實現簡單、精度高的特點。二、 性能特點ADXL203典型測量范圍在±1.7 g，該加速計既可測量靜態的也可測量動態的加速度，可承受3500g極限加速度。其下拉電流小于700 µA，靈敏度達到1000mV/g。該加速計在40°C 到125°C溫度范圍內，具有±0.3%的溫度靈敏性；±25 mg的零點偏移精度；在小于60 Hz的帶寬下具有解決小于1 mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優于

3、0.1 mg/°C的穩定性。采用5×5×2 mm的LCC的封裝。ADXL203的管腳封裝及引腳功能如圖1和表1所示。圖1 ADXL203管腳圖表1 ADXL203管腳功能管腳序號管腳名稱管腳功能1ST自檢電壓輸入2DNC空白腳3COM公共地4DNC空白腳5DNC空白腳6YOUTY軸電壓輸出7XOUTX軸電壓輸出8VS3V到6V三、 工作原理ADXL203內部電路框圖如圖2所示。傳感器輸出幅值與所測加速度成正比的方波信號，經過信號交流放大，相敏檢波、低通濾波，得到與加速度成比例的電壓信號。圖2 ADXL203內部電路框圖 傳感器主要是由一個利用表

4、面微機械加工的多晶硅機構和一個差動電容器組成。多晶硅結構由多晶硅彈簧支撐,處于晶片的頂部,并與差動電容的運動的中心極板相連。分別在差動電容的固定的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,多晶硅結構會產生偏移,拉動差動電容的中心極板滑動，使兩個電容容值不同，便在中心極板產生電壓，傳感器輸出方波。輸出方波的幅值與測量的加速度成正比。三、使用說明1、電源退藕一般情況下，為了濾出供電電源產生的噪聲，只需在加速計的VS和COM腳間接一個0.1F的電容，即圖2中的CCD。但是，在有些情況下，特別是當內部時鐘頻率為140KHZ時，供電電源產生的噪聲就會對加速計的輸出信號產生不可忽視

5、的干擾。當需要格外加退藕裝置的時候，可以在加速計的供電電路中串入一個100（或更小）的電阻。另外，還可以在CCD上并聯一個大阻值的旁路電容，容值在1F22F之間選擇。2、帶寬設置ADXL203的帶寬是通過XOUT和YOUT腳連接的電容CX、CY來設置的。XOUT和YOUT腳必須連接電容以實現低通濾波，從而實現對信號的去鋸齒和噪聲削弱。-3dB帶寬的計算公式為：或者，簡化成，加速計ADXL203的內部電阻RFILT的標稱值為32K，而其實際阻值可在14K40K間選擇，加速計的帶寬計算也就要相應的產生變化。表2給出RFILT為32K時濾波電容CX、CY的容值選擇與帶寬的對應關系。應注意的是，任何情

6、況下CX、CY的容值都不能小于2000pF。表2 濾波電容CX、CY的容值選擇帶寬（HZ）電容（F）14.7100.47500.101000.052000.0275000.01另外，建立時間會隨著CX、CY的增大而增大。其計算公式為：，其中C表示CX或者CY，單位為F。選CX、CY為0.1F時，開啟時間為20ms。3、自檢模式ADXL203的ST腳為自檢電平輸入端。當ST腳接VS時，加速計進入自檢模式，此時會在傳感器中心極板產生靜電力，使其偏移。由加速計輸出電壓的值就可以判斷出加速計功能是否正常。自檢時，輸出端的典型電壓變化量為700mV（對應700mg的加速度）。在非自檢模式時，ST腳可以開

7、路或接COM端。ST腳所接的電壓大小不可超過VS+0.3V。如果在電路設計時不能保證這一點（例多電壓供電時），最好能在ST和VS腳間接入一個低正向電壓VF的箝位二極管。4、噪聲與帶寬的權衡選擇ADXL203輸出信號帶寬決定了測量精度。可通過濾波減小噪聲底密度，提高測量精度。其輸出信號帶寬的典型值為2.5KHZ。對信號進行濾波，可以有效防止頻率混疊。ADXL203允許根據實際需要改變XOUT、YOUT腳處的濾波電容大小來設置輸出信號的帶寬。但要保證其輸出信號帶寬不能超過AD轉換采樣頻率大小的一半。當進一步減小信號帶寬時，可以減小噪聲，提高測量精度。ADXL203的噪聲屬于高斯白噪聲，即其功率譜密

8、度在所有頻率下為常數。噪聲（rms）的計算公式為：例如，帶寬為100HZ時的噪聲大小為：噪聲與信號帶寬的平方根成正比，使用時應根據需要盡量地減小帶寬，以提高加速計測量精度，增大測量動態范圍。噪聲峰-峰值的估算可參照表2。而表3給出的是CX、CY的選擇與噪聲峰-峰值的對應關系。表3 噪聲峰-峰值估計參照表噪聲額定峰-峰值噪聲峰-峰值超額的幾率2rms324rms4.66rms0.278rms0.0006表4 CX、CY值與噪聲峰-峰值對照表帶寬（HZ）CX、CY(F)RMS噪聲（mg）噪聲峰-峰值估計（mg）100.470.42.6500.11.061000.0471.48.45000.013.

9、118.75、供電電壓ADXL203的性能都是在5V典型電壓供電時測試和標定的。實際上，供電電壓VS可以在3V6V之間選擇。選擇不同的供電電壓，加速計的一些性能指標自然就會隨之改變。ADXL203的輸出電壓與加速度是成比例的，當供電電壓改變時，靈敏度就會發生相應改變，影響測量精度。例如，當VS=3V時，輸出電壓比例系數變為560mV/g。0g對應輸出電壓也是與VS成比例的，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。因為當增大供電電壓時，輸出電壓比例系數就會增大，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VS=3V時，噪聲密度為。自檢模式的g值輸出可

10、以粗略地認為是與供電電壓的平方成正比。而靈敏度系數又是與供電電壓成比例的，所以自檢模式時的電壓輸出就與供電電壓的立方成正比。在VS=3V時，自檢輸出典型值約為150mV，對應的g值為270mg。當供電電壓減小時，供電電流隨之減小。3V電壓供電時的供電電流為450A。四、ADXL203在傾斜度測量中的應用1、測量原理ADXL203最常見的應用是進行傾斜度測量。加速計以重力矢量作為基準來測定物體的空間方位。當加速計的感應軸與重力方向垂直（即感應軸水平）時，它對傾斜度的變化是最敏感的，傾斜度每變化1，輸出g值變化17.5mg；當感應軸與水平成45角時，傾斜度每變化1，輸出g值變化只有12.2mg；而

11、當感應軸與重力方向接近平行時(所感應到的加速度接近+g或-g)，傾斜度每變化1，加速計輸出幾乎沒有什么變化。隨著測量傾斜角度的增大，測量精度下降。圖3 重力矢量關系圖將加速計的X和Y軸都水平放置，就可以作為雙軸傾斜計測量傾斜度了。如圖3所示。將輸出模擬電壓信號VX，VY換算成對應的g值變化量AX，AY，代入下面公式計算得到X、Y軸的傾斜角度俯仰角（pitch）和傾斜角（roll）。2、測量電路ADXL203輸出的是模擬電壓信號，可直接進行AD采樣。這里選用ADI(Analog Devices Inc.)公司的單片機ADuC847，其內部集成了速度可達420kSPS的24位-ADC。硬件連接圖如

12、圖4所示。圖4 硬件連接圖ADXL203輸出的X、Y軸的測量信號分別經低通濾波，然后通過差動輸入方式輸入到ADC，其中VIN（-）端接2.5V電壓。而為了得到更高的精度，我們給ADC外接2.5V參考電壓。另外，為了濾出供電電源產生的噪聲，圖中采用0.1u和10u電容并聯接入供電電路進行電源退藕。3、參數設置及分析我們設計的系統要求傾斜測量分辨率達到0.06°，測量范圍0°10°。那么加速計及ADC的參數應該如何設置才能達到測量要求呢？下面對此進行分析。對于加速計ADXL203，測量得到的g與所測角度的函數曲線是一段正弦曲線，如圖5所示。圖5 g值與關系曲線由于測量

13、得到的g與所測角度為非線性關系，所以測量范圍內，變化0.06°對應的g值變化量會隨所測量角度大小的變化而變化。當在0°10°范圍內時，當時，當時，。當在0°-10°范圍內時，當時，。可見，加速計在0g位置時具有最高靈敏度，隨著傾斜角度的增大，靈敏度降低。所以系統至少要分辨出1.03mg的g值變化，對應電壓輸出變化量為1.03mV。ADXL203的可選帶寬為0.5HZ2500HZ。我們這里是為了對某時刻的傾斜角的進行測量，設置加速計1HZ帶寬即可以滿足測量要求。此時加速計噪聲均方值：此時，濾波電容大小選為。相應的建立時間為：ADuC847內部集成

14、的-ADC數據刷新率越低，越有利于提高分辨率。我們通過ADuC847內部SF寄存器設置ADC的數據刷新率為16.06HZ，既得到相同條件下更好的分辨率，又保證不丟失任何測量信號信息。加速計的0g輸出電壓為2.5V，輸出電壓范圍為2.3V2.7V，則相應選擇ADC輸入電壓范圍即可。這時ADC達到17位無噪聲碼分辨率。于是：量化噪聲。傳感器輸出信號中的噪聲，將對ADC轉換結果造成誤差，影響精度。另一方面，AD本身的有效輸入噪聲、量化噪聲等都會影響ADC轉換精度。-ADC利用過采樣原理，通過數字濾波和抽取，移去帶外量化噪聲并改善ADC的分辨率，提高轉換精度。五、結論ADXL203是晶體硅固體結構的加速計，它受溫度的影響極小，保證了系統的穩定性。利用ADXL203進行傾斜測量精度高，功耗低。而它體積小，雙軸輸入，又能減化了電路的設計和安裝。文中給出