MEMS传感器应用实例:使用双轴加速度计进行倾斜测量

电路功能与优势

图1所示电路集成了双轴加速度计ADXL203和12位逐次逼近（SAR）型ADCAD7887，打造出一款双轴倾斜测量系统。

ADXL203是一款多晶硅表面微加工传感器并集成信号调理电路。X或Y轴方向的加速度会在器件的XOUT 或YOUT输出端上产生相应的输出电压。X轴和Y轴相互垂直。AD8608四通道运算放大器会对ADXL203输出进行缓冲、衰减和电平转换，使输出处于适当的电平，从而驱动AD7887的输入。选择轨到轨输入/输出AD8608的原因是它具有低失调电压（最大值为65 μV）、低偏置电流（最大值为1 pA）、低噪声（8 nV/√Hz）且尺寸小（14引脚SOIC或TSSOP封装）等特性。

AD7887可通过片内控制寄存器配置为单通道或双通道工作模式。本应用中将该器件配置为双通道模式，以允许用户监控ADXL203的两个输出，因此提供了一种更为准确和完善的解决方案。

在整个温度范围内，该系统可在90°范围内维持1°的精度。该电路凭借这一精度、性能和范围提供一种低成本、低功耗、小尺寸的校准相关解决方案。ADXL203的最小额定工作温度范围为−40°C至+105°C，并提供8引脚陶瓷无引脚芯片载体封装（LCC）。

Figure 1. Dual Axis Tilt Measurement System （Simplified Schematic： Decoupling and All Connections Not Shown）

电路描述

电源电压和去耦

只要140 kHz内部时钟频率上不存在噪声，ADXL203就只需要一个0.1 μF去耦电容。如果需要，可以包含较大的大容量电容（1 μF至10 μF）或氧化铁磁珠。

为使输出逻辑电平与SDP板兼容，AD7887必须采用+3.3 V供电轨供电。电路其余部分则采用+5 V供电轨供电，如图1所示。ADXL203经过测试的标称电源电压为+5 V。虽然ADXL203可以采用3 V至6 V之间的任意电源电压工作，但5 V时整体性能最佳。有关其它电源电压下的性能详情，请参阅ADXL203数据手册。

ADXL203输出是比率式的；当电源电压升高时，输出电压也会升高。输出灵敏度与电源电压成比例。VS = 3 V时，输出灵敏度典型值为560 mV/g。Vs = 5 V时，该器件的标称灵敏度为1000 mV/g。

零g输出电平也是比率式的，因此所有电源电压情况下，零g输出的标称值均等于VS/2。

但是，ADXL203的输出噪声不是比率式的，而是绝对的，其单位为伏特（V）。这意味着，噪声密度将随着电源电压升高而下降。这是因为比例因子（mV/g）增加而噪声电压却保持不变。VS = 3 V时，噪声密度的典型值为190 μg/√Hz，VS = 5 V时则为110 μg/√Hz。

噪声、带宽和输出电容选择

ADXL203噪声具有白高斯噪声的特征，所有频率下的贡献值均相同，用μg/√Hz表示（该噪声与加速度计带宽的平方根成比例）。用户应将带宽限制为应用所需的最低频率，以便最大程度地提高加速度计的分辨率和动态范围。

带宽由器件XOUT和YOUT引脚上的电容（CX，Y）设置。这些电容与ADXL203的32 kΩ内部输出电阻结合，构成一个低通滤波器。这些滤波器主要用于实现降噪和抗混叠。3 dB带宽的计算公式如下：

BW = 1/（2πR×C（X，Y））， where R = 32 kΩ

由于具有单极点滚降特征，因此当电源电压为5 V时，ADXL203的噪声典型值可以通过下式确定：

RMS Noise = （110 μg/√Hz） × √（BW × 1.57）

通常需要知道峰峰值噪声，因为该值可以最好地估算一次测量中的不确定性；峰峰值噪声通过将均方根值乘以6来估算。

表1给出了给定滤波器电容的带宽、均方根噪声和峰峰值噪声。对于此电路，两个10 μF电容会产生0.5 Hz的带宽。在所有情况下，所需的最小电容均为2000 pF。

传感器的物理操作

该传感器为表面微加工多晶硅结构，置于晶圆顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供加速度力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。

固定板由180°反相方波驱动。加速度使梁偏转，使差分电容失衡，从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后，使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。