具有模拟信号输出的单轴加速度计及其应用

摘　要：ADXL190是美国ADI公司推出的低功耗、低成本、功能完善的加速度测量系统。它可测量正负加速度，其zui大测量范围为±100g，因而适合振动和冲击的测量。本文详细介绍ADXL190的工作原理、定标、ESD保护装置、0g点偏移量的调节方法及其应用。 
　　关键词：传感器；模拟信号输出；加速度计；应用
1概述
　　ADXL190型加速度计是集成在单芯片上的完整的加速度测量系统。它由多晶硅表面微机械敏感元件和信号调理电路组成，可以测量正负加速度。
　　ADXL190具有如下特点：是集单轴加速度传感器于一体的单片集成电路加速度计；分辨率可达4010－3g；低功耗（<2mA）；带宽为400Hz；＋5V单电源供电；可承受2000g的振动和冲击。
　　ADXL190的主要应用领域是振动和冲击测量；机械装置安全性检测；车辆记录器；在军事上用来防护、提供安全检测。

2工作原理
　　ADXL190将一个以多晶硅为表面的微机械传感器和信号环路电路集成在一个芯片上，是一个开环加速度测量机构。它可测量正负加速度，其zui大测量范围为±100g，因而适合振动和冲击的测量。图1是ADXL190的功能框图。
　　ADXL190的典型噪声值为4×10－3g/（Hz）1/2，检测加速度信号可低于40×10－3g。它既可测量动态加速度（如典型振动和冲击），又可测量静态加速度（如重力加速度和惯性）。在ADXL190内有一个二极Bessel开关电容滤波器，Bessel滤波器有时也称为线性相位滤波器，其一阶响应有zui小的过调量和zui平坦的群延时，在出厂时，将该滤波器－3dB处的频率预设为400Hz。滤波器结构完整，不需要外围元件。
　　该产品内置自检部件，具有机械结构和电子电路双重特性，当它的自检引脚加上高电平数字信号而被触发时，静电力加在横梁上，相当于约满量程加速度输入的20％，从而在输出引脚上产生一个成比例的电压变化量，只需要一个退耦电容器就可以实现自检功能。
　　用来驱动传感器和将电容值变化转化为电压值变化的电路都集成在同一芯片上，除了标准的供电电源退耦装置外，不需要任何外部元件。对于供电电压来说，灵敏度（S）和加速度0点值都是按比率计算的，在供电电压发生变化时，跟随在加速度计（如模数转换器等）后的输出也会跟着加速度计的变化而变化。输出电压Vout是加速度计输入量（a）和电源电压（Vs）综合作用的结果，其计算公式为

ADXL190采用密封的14引脚表面安装式封装，工作温度范围为－40℃～105℃。图2是ADXL190的引脚排列图。

3应用技术
3．1引脚功能及连接方法
　　Vs（引脚13，14）是电压输入端，它们直接与电源正极相连，供电范围为－0.3V～＋7.0V。
　　COMMON（引脚7）是接地端，直接与电源负极相连。在Vs端与COM端之间应该接一个退耦电容器，容值为0.1μF，形成电源退耦电路。
　　Vout（引脚10）是电压信号输出端，即传感器的输出端口。
　　SELF-TEST（引脚9）是自检测试端，当它接Vs时，静电力加在横梁上，相当于约满量程加速度输入的20％，从而在输出引脚上产生一个成比例的电压变化量。
　　TESTPOINT（引脚5）是检测端，不与任何器件相连。
　　ZEROgADJUST（引脚8）是加速度0g的校准端点。
　　NC（引脚1，2，3，4，6，11，12）是空引脚，不接。
3．2ADXL190的定标

　　图3示出ADXL190对地球重力场的反应，其中，引脚10输出的电压是额定值。使用前，ADXL190应定标。ADXL190的特殊设计使用户可方便、及时地进行定标。校准系数可存储在EEPR0M或动态存储器中。
3.30g点偏移量的调节方法
　　在有些应用中，用户可能有不对称输入或者需要调节0g标准输出量以获得zui大的动态范围。0g标准的调节是通过在器件的0g调节引脚加上一个电压来实现的，如图4所示。

　　由图4可知，ADXL190内部的5kΩ和25kΩ两个电阻器构成一个比例因子为6的分压器，使得ADXL190的0g点调节引脚与Vs/2之间的电压差减小。在输出端获得3倍的增益时，对于0g点调节端获得0.5倍的增益。需要注意的是，电阻分压的比例对于所有器件都是一致的。但是，其值存在±30％的公差。0g点调节电压可以通过多种方式来设置，在图4中使用的是一个电位计，另外，还可以用一个脉宽调制信号或简单的三态输出来设置。zui简单的方法是在0g点调节引脚和Vs（或地）之间接一个电阻器，这样，输出偏移量为
　　
式中，R的单位为kΩ，并与Vs连接。或者为
　　
式中，R的单位为kΩ，并与地相接。

　　第二种0g点调节方法是将两个电阻器与微处理器的输入输出引脚相连，如图5所示。在该图中，由于可以设定两个I/O为Vs、地或者三态，所以，会出现7种可能情况（注意：设置一个I/O为Vs，另外一个I/O为地的方法是不行的），如表1所示。使用该系统，ADXL190就可以保持平衡，并在0g端输出2.5V±35mV。
　　第三种0g点调节方法是对0g点调节引脚加一个电压，由于内部5kΩ和25kΩ两个电阻器的分压作用，0g点调节引脚8与Vs/2之间的电压差减小6倍，再乘以输出增益3，就得到总的增益为0.5，其偏压就可以由下列等式计算：
　　
　　另外，0g点调节电压还可以通过从微处理器输出一个脉宽调制信号来设置。但是，要注意该电压源的输出阻抗小于5kΩ且信号噪声小，而0g点调节引脚处的任何噪声都可以导致输出错误。
　　如果需要一个不对称的加速度范围（例如＋75g～－125g），就要在0g点调节端和地或者VS之间接一个电阻器，如前所述。例如，要得到＋75g～－125g的加速度范围，偏移量为－25g，则需要的偏移电压应该是

　　将Voffset=450mV代入式（6），可得R=53.3kΩ，即应该在0g点调节端和地之间接一个阻值为53.3kΩ的电阻器。一般来说，对于不对称的加速度范围，就要把加速度范围的中点值移动±80g。
3．4防静电损伤
　　高达4000V的静电电荷很容易聚积在人体和测试装备上，可能在无察觉的情况下放电。因此，为了防止高能量静电放电使器件功能损坏或者性能下降造成*的破坏，必须采取正确的静电放电防护措施。ADXL190配置了静电放电保护电路。
　　ADXL190的zui大额定参数值为不加电源电压能承受2000g、0．5ms的冲击；加电源电压能承受1000g、0．5ms的冲击；工作电压范围是－0.3V～＋7.0V；任何引脚对地短路时间不限；工作温度－55℃～＋125℃；贮存温度范围为－65℃～＋150℃。
　　在此需要强调，上述zui大额定值可能会造成该加速度计*性破坏，如果高于这些zui大额定值并且达到一定时间就会影响器件的可靠性。如果器件掉到硬的地面上，将会产生高于2000g的振动，超过了它的zui大额定值，所以，使用时一定要小心。