具有数字信号输出的双轴加速度传感器ADXL202

出处:awey 发布于:2007-11-29 11:52:58

摘  要:ADXL202是美国ADI公司出品的低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器。ADXL202将敏感元件和后续电路集成在一个芯片上,可广泛地应用在斜度测量、惯性导航、地震监测装置和交通安全系统等领域。本文详细地介绍了ADXL202的原理与应用。
关键词:传感器; 加速度; ADXL202
 
1. 概述
     
ADXL202是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器,其测量范围为±2g。ADXL202既能测量动态加速度(如振动加速度),又能测量静态加速度(如重力加速度)。

  ADXL202可输出数字信号,其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器,而不需A/D转换或附加其它电路。输出信号周期在0.5ms~10ms范围内,可用外接电阻RSET调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出,则可从XFILT和YFILT管脚输出信号,或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。

  ADXL202的带宽可以通过电容CX和CY在0.01Hz~5kHz的范围内设定。其典型噪声值为500μg/(Hz)1/2,60Hz带宽时的分辨率为5mg。

  ADXL202采用14引脚表面封装。有两种工作温度范围:商业温度范围为0℃~70℃,工业温度范围为-40℃~+85℃。
  ADXL202具有以下特点:
   ●ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路
   ●它既可测量动态加速度,又可测量静态加速度;
   ●具有脉宽占空比输出;
   ●低功耗(<0.6mA);
   ●比电解质、水银、热能、斜度测量仪响应快;
   ●每根轴的带宽均可通过电容调整;
   ●60Hz带宽时的分辨率为5mg;
   ●直流工作电压为+3V~+5.25V;
   ●可承受1000g的剧烈冲击。
  ADXL202可应用于如下领域:
   ●斜度测量;
   ●惯性导航;
   ●地震监测装置;
   ●交通安全系统;
   ●电池供电的运动测量装置。
  
2. 工作原理
      ADXL202是基于单块集成电路的完善的双轴加速度测量系统。它是一个以多晶硅为表面的微电机传感器和信号控制环路来执行操作的开环加速测量结构。对每根轴而言,输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号。这些数字信号直接与微处理器接口。ADXL202可测量 正负加速度,其最大测量范围为±2g。ADXL202也可测量静态加速度,亦可用作斜度测量。

  传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构,用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的。固定极板通过方波的每π个相位控制。加速度计受到加速度力后改变了可变电容的平衡,使输出方波的振幅与加速度成正比。而相位解调技术用来提取信息,判断加速方向。

  解调器的输出通过32kΩ的固定电阻输出到脉宽占空比解调器。这时,允许用户改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。这种滤波提高了测量的精度,并有效地防止频率混叠。

  经过低通滤波后,模拟信号由DCM(脉宽占空调制器)转换为脉宽占空比信号。通过一个电阻RSET将T2设定在0.5ms~10ms范围内。在0g加速度时使输出占空比为50%。加速度可由一计数/计时器或低功耗的微控制器通过测量T1,T2来测得。

  模拟输出信号可通过以下两种方法获得:一种从XFILT和YFILT管脚得到;一种是通过RC滤波器对脉冲信号滤波后得到的dc值推算。

3. 应用设计
     
ADXL202的应用设计包括选择信号周期、滤波电容(决定信号的频带)、分辨率和测量时间。下面分别介绍。
3.1 引脚连接
  VDD:ADXL202有两个电压输入引脚13和14。这两个引脚应直接与电源相连。
  COM:ADXL202有两个接地引脚4和7。它们应直接相连并接地。
  VTP:该管脚应保持开路,不与其它任何管脚相连。
  VDD与COM引脚:其间连接退耦电容CDC,推荐使用0.1μF,形成电源退耦电路。
  ST:自检输入端,当ST接VDD时,将加一个静电压使传感器的中心电容极板发生偏转,等效于施加一个加速度力,帮助用户检查加速度计的功能。输出信号脉宽占空比为10%,相当于80mg的加速度。平时该引脚可开路,亦可与COM引脚相连。

3.2 设置脉宽占空比信号
  ADXL202的数字输出是脉宽占空比调制信号,T1/T2与被测加速度成正比。0g时,ADXL202的输出为50%占空比。灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5%。0g时的失调和系统误差影响实际输出值。
  不必每次都测量T2,只需在温度变化后适时修正。既然T2是X和Y两路共有的,因此,只需一次测量一路的T2值就行。
  使用CX和CY的设定频带:ADXL202有两个XFILT和YFILT引脚,可外接电容来设定频带。电容必须安装在紧靠引脚处,用以去混叠和抑制噪声。3dB带宽计算公式如下:
  F-3dB=1/[2π(32kΩ)×C(X,Y)]
或简化为:
  F-3dB=5μF/C(X,Y)
  RFILT可在额定值32kΩ的±25%范围内变动,相应地,带宽也随之变化。另外,在任何情况下,C(X,Y)的最小电容值为1000pF。
  利用RSET设定DCM的周期:有两个通道的DCM的周期是通过电阻RSET来设定。计算公式为:
  T2=RSET(Ω)/125MΩ
  125kΩ的电阻将周期设定为1ms左右。器件可在周期0.5ms~10ms范围内运行。
  注意:即使只需要一个模拟输出端,也必须使用RSET。在需要从XFILT和YFILT两个引脚输出信号时,RSET的阻值可选取在500kΩ和2MΩ之间。RSET应安装在靠近T2引脚处,以使分布电容最小。

3.3 滤波器的设计
  ADXL202的带宽选择决定测量精度(测量最小的加速度)。滤波可降低噪音,提高加速度测量仪的分辨率。分辨率取决于XFILT和YFILT的滤波带宽以及微控制器的计算速度。

  ADXL202的模拟信号输出具有典型的5kHz带宽。用户必须对信号进行滤波处理以减少频率混叠。为了使DCM的误差最小,模拟带宽应比DCM的频率低1/10。在实际应用中,模拟带宽可提高至DCM频率的1/2,但这可能导致DCM的动态误差增大。

  模拟带宽可进一步减小,从而降低噪声,提高分辨率。ADXL202的噪声特点是在所有频率下都是同样大的白色高斯噪声,以μg/(Hz)1/2为单位。换句话说,噪声与加速度信号带宽平方根成正比。因此,建议用户将带宽限制为实际应用所需的最低频率,以使分辨率和加速度计的动态范围达到最大。
  ADXL202的典型噪声值可用以下公式计算:
  噪声(均方值)=[500μg/(Hz)1/2](1.5BW)1/2
  例如:100Hz时的噪声均方值为:
  [500μg/(Hz)(1/2)]×(1.5×100)1/2=6.12mg
  通常噪声峰值是确定的,可通过均方值来估计。请参考表4。
  
3.4 T2和分辨率
  加速度计的分辨率由噪声水平决定,同时还与微处理器在测量脉宽占空比信号时的分辨率有关。
  ADXL202的脉宽占空比信号具有14位的分辨率。加速度信号的实际分辨率还受脉宽占空比信号测量装置的分辨率的限制。计算器运行速度越快,对给定的分辨率而言,脉宽调制信号的分辨率越高,T2越短。表6给出了它们之间的关系。需要注意的是,这还依赖于微处理器的分辨率;加速度计上的噪声有可能降低分辨率。

3.5 ADXL202的定标
  ADXL202在使用前应定标。ADXL202的专门设计使用户可方便、及时地进行定标。校准系数可存储在EEPROM或动态存储器中。
  在斜度测量时,重力系统是最稳定、最精确、应用最广泛的参照系。使装置的方向与水平面平行便可得到0g时的校准值。
  更为精确的定标方法是将测量范围定为1g和-1g。失调值和灵敏度均由这两点决定。这两种法的优点是对加速度计的位置不很敏感,因为每根轴所获取的信号与角度的余弦值成正比。例如,在±1g附近时,5°所引起的误差仅为测量误差的0.4%。

4. 应用实例

4.1 双轴斜度测量仪
  ADXL202的一个应用是作为斜度测量仪。ADXL202以重力矢量作为基准以测定空间物体的方位。

  当ADXL202的传感轴被设置为与重力矢量垂直,即与水平面平行时,ADXL202对斜度十分灵敏。在这个方向上,ADXL202对倾斜度变化的灵敏度最高。当ADXL202被定位于重力方向,即在读数偏差(±1g)的范围内,倾斜度输出的每度变化可忽略不计。

  当ADXL202与重力矢量垂直时,其输出随斜度的每度变化大约为17.5mg,当两者成45°角时,输出变化值仅为12.2mg/度,分辨率降低。

  当加速度计的X和Y两根轴定位与水平面平行时,ADXL202可作为经向纬向斜度测量仪。加速度计的输出信号被转换为±1g范围的加速度。

4.2 测量360°范围斜度
  使用正交的两个双轴加速度计完全可以测量重力矢量为基准的360°范围斜度。两加速度计分别显示每度所引起变化的最大和最小读数值。



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