具有模拟信号输出的单轴加速度计ADXL190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，其最大测量范围为±100g，因而适合震动和冲击的测量。本文详细的介绍了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：加速度传感器；模拟信号输出；加速度计；ADXL190

一、概述

ADXL190型加速度计是集成在单片集成电路上的完整的加速度测量系统。它是由多晶硅表面微加工(polysilicion surface micromachined)敏感元件和信号调理电路组成。它可以测量正负加速度。

ADXL190具有如下特点：

l ADXL190是集单轴加速度传感器于一体的单片集成电路加速度计；

l 分辨率可达到40mg；

l 低功耗（<2mA）；

l 带宽为400Hz；

l ＋5V单电源供电；

l 可承受2000g的震动和冲击。

ADXL190的主要应用为：

l 震动和冲击测量；

l 机械装置安全性检测；

l 车辆记录器；

l 军事上用来防护、提供安全检测。

二、工作原理

ADXL190是美国ADI（Analog Devices Inc）公司推出的低功耗、低成本、功能完善的加速度测量系统。它将一个以多晶硅为表面的微电机传感器和信号环路电路集成在一个单片电路上，以实现一个开环加速度测量机构。ADXL190可测量正负加速度，其最大测量范围为±100g，因而适合震动和冲击的测量。图1为ADXL190的功能模块图。

ADXL190的典型噪声值为4 mg/（Hz）^1/2，检测加速度信号可以低于40mg。它既可以测量动态加速度（如典型震动和冲击），又可以测量静态加速度（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，其一阶响有最小的过调量和最平坦群延时，在出厂时，将该滤波器－3dB处的频率预设为400Hz。由于该滤波器结构完整，不再需要外围元件。

该产品内置自检部件使得它具有机械结构和电子电路双重特性，当它的自检管脚加上数字信号的高电平而被触发时，静电力量加在横梁上，相当于约满量程加速度输入的20％，从而在输出管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任务。

图1为ADXL190的功能模块图

用来驱动传感器和将电容变化转化为电压变化的电路都集成在一块芯片上，从而除了标准的供电电源退耦装置外不在需要任何外部元件。对于供电电压来说，灵敏度和加速度0点值都是按比率计的，以致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：

Vout = Vs/2–(Sensitivity × Vs/5V × a) …………………… （1）

ADXL190采用封闭的14引脚表面封装，工作温度范围在–40℃～105℃。图2是ADXL190的引脚图。其引脚功能将在下节中加以说明。

图2 ADXL190的引脚图

三、应用设计

1．ADXL190引脚功能及其连接方法

Vs（引脚13，14）：这两个引脚为电压输入端，它们直接与电源正极相连。供电范围为-0.3V～+7.0V。

COMMON（引脚7）：该引脚为接地端，它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，大小建议为0.1uF，从而形成电源退耦电路。

Vout（引脚10）：电压信号输出端，即传感器的输出端口。

SELF-TEST（引脚9）：自检测试端，当它接Vs时，静电力量加在横梁上 ，相当于约满量程加速度输入的20％，从而在输出管脚上产生一个成比例的电压变化量。

TEST POINT（引脚5）:该引脚为检测端，不与任何器件相连。

ZERO g ADJUST（引脚8）：该引脚为加速度0g的校准端点。

NC(引脚1，2，3，4，6，11，12)：空引脚，不接。

2．ADXL190的定标

图3显示了ADXL190对地球重力场的反应，其中器件引脚10输出的电压是额定值。ADXL190在使用前应定标。ADXL190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EEPR0M或动态存储器中。

图3 ADXL190对地球重力场的反应

3. 0g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标准输出量以获得最大的动态范围。0g标准的调节是通过在器件的0g调节管脚加上一个电压来实现的。如图4所示。

图4 可选0g调节电路

由图4可知，ADXL190内部5ΚΩ和25ΚΩ两个电阻构成了一个比例因子为6的分压，使得ADXL190的0g点调节管脚与Vs/2之间的电压差减小。以致在输出端获得三倍的增益时，对于0g点调节端获得0.5倍的增益，在这里需要注意的是，电阻分压的比例对于所有器件都是一致的，但是其绝对值存在± 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者一个简单的三态输出来设置。最简单的方法是在0g点调节管脚和Vs（或地）之间接一个电阻，这样输出偏移量为：

偏压offest(V) = (7.5 × Vs)/(30 + R) …………………………… （2）

式（2）中，R的单位为ΚΩ，并与Vs连接。或者为：

偏压offest(V) = (–7.5 × VS)/(30 + R) …………………………… （3）

式（3）中，R的单位为ΚΩ，并与地相接。

第二种0g点调节方法是，将两个电阻与微处理器的输入输出管脚相连，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，所以就会出现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端输出电压2.5 V ± 35 mV。

图5 输出偏移调节图

表1 由图5电路产生的偏移量

第三种调节0g点的方法是：对0g点调节管脚加一个电压，由于内部5ΚΩ和25ΚΩ两个电阻的分压作用，0g点调节管脚与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：

偏压offest(V) = (0g点调节管脚电压 – Vs/2)/2 …………………… （4）

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5ΚΩ而且信号噪声小，而0g点调节管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，+75 g ～ –125 g），就要在0g点调节端和地或者Vs之间接一个电阻，如前所述。例如，要得到+75 g ～ –125 g的加速度范围，偏移量为-25g，则需要的偏移电压应该是：

偏压offest(V) = -25g × 18 mV/g = 450 mV …………………………… （5）

由于前面的偏压等式（3）可以改写成:

R = [(7.5 × VS)/offset] –30 ……………………………………… （6）

将450mV代人式(6)中，可得R=53.3ΚΩ，即应该在0g点调节端和地之间接一个阻值为53.3ΚΩ的电阻。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±80 g。

4．ADXL190的防ESD及使用注意事项

高达4000V的静电电荷很容易聚积在人体和测试装备上，并且可能在无察觉的情况下放电。虽然ADXL190配置了ESD(electrostatic discharge，静电放电)保护电路，但由于高能量静电放电会对器件造成永久的破坏，因此，为了防止器件功能损坏或者性能下降，必须采取正确的ESD防护措施。

另外，ADXL190的绝对最大额定值为：

l 不加电源电压能承受2000g、0．5ms时间的冲击；

l 加电源电压能承受1000g、0．5ms时间的冲击；

l 工作电压为：–0.3 V ～ +7.0 V；

l 任何管脚对地短路时间不限；

l 工作温度为：-55℃～+125℃；

l 贮存温度为：-65℃～+150℃。

所以，在此需要强调，上面所列出的绝对最大额定值可能会造成该加速度计永久性破坏，如果高于这些绝对最大额定值条件并且达到一定时间就会影响器件的可靠性。如果器件不小心掉到硬的表面，将会产生高于2000g的震动，就超过了它的绝对最大额定值，所以在使用该器件时一定要小心谨慎。

四、小结