電路功能與優勢

圖1所示電路集成了雙軸加速度計ADXL203和12位逐次逼近（SAR）型ADCAD7887，打造出一款雙軸傾斜測量系統。

ADXL203是一款多晶硅表面微加工傳感器并集成信號調理電路。X或Y軸方向的加速度會在器件的XOUT 或YOUT輸出端上產生相應的輸出電壓。X軸和Y軸相互垂直。AD8608四通道運算放大器會對ADXL203輸出進行緩沖、衰減和電平轉換，使輸出處于適當的電平，從而驅動AD7887的輸入。選擇軌到軌輸入/輸出AD8608的原因是它具有低失調電壓（最大值為65 μV）、低偏置電流（最大值為1 pA）、低噪聲（8 nV/√Hz）且尺寸小（14引腳SOIC或TSSOP封裝）等特性。

AD7887可通過片內控制寄存器配置為單通道或雙通道工作模式。本應用中將該器件配置為雙通道模式，以允許用戶監控ADXL203的兩個輸出，因此提供了一種更為準確和完善的解決方案。

在整個溫度范圍內，該系統可在90°范圍內維持1°的精度。該電路憑借這一精度、性能和范圍提供一種低成本、低功耗、小尺寸的校準相關解決方案。ADXL203的最小額定工作溫度范圍為?40°C至+105°C，并提供8引腳陶瓷無引腳芯片載體封裝（LCC）。

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

電路描述

電源電壓和去耦

只要140 kHz內部時鐘頻率上不存在噪聲，ADXL203就只需要一個0.1 μF去耦電容。如果需要，可以包含較大的大容量電容（1 μF至10 μF）或氧化鐵磁珠。

為使輸出邏輯電平與SDP板兼容，AD7887必須采用+3.3 V供電軌供電。電路其余部分則采用+5 V供電軌供電，如圖1所示。ADXL203經過測試的標稱電源電壓為+5 V。雖然ADXL203可以采用3 V至6 V之間的任意電源電壓工作，但5 V時整體性能最佳。有關其它電源電壓下的性能詳情，請參閱ADXL203數據手冊。

ADXL203輸出是比率式的；當電源電壓升高時，輸出電壓也會升高。輸出靈敏度與電源電壓成比例。VS = 3 V時，輸出靈敏度典型值為560 mV/g。Vs = 5 V時，該器件的標稱靈敏度為1000 mV/g。

零g輸出電平也是比率式的，因此所有電源電壓情況下，零g輸出的標稱值均等于VS/2。

但是，ADXL203的輸出噪聲不是比率式的，而是絕對的，其單位為伏特（V）。這意味著，噪聲密度將隨著電源電壓升高而下降。這是因為比例因子（mV/g）增加而噪聲電壓卻保持不變。VS = 3 V時，噪聲密度的典型值為190 μg/√Hz，VS = 5 V時則為110 μg/√Hz。

噪聲、帶寬和輸出電容選擇

ADXL203噪聲具有白高斯噪聲的特征，所有頻率下的貢獻值均相同，用μg/√Hz表示（該噪聲與加速度計帶寬的平方根成比例）。用戶應將帶寬限制為應用所需的最低頻率，以便最大程度地提高加速度計的分辨率和動態范圍。

帶寬由器件XOUT和YOUT引腳上的電容（CX，Y）設置。這些電容與ADXL203的32 kΩ內部輸出電阻結合，構成一個低通濾波器。這些濾波器主要用于實現降噪和抗混疊。3 dB帶寬的計算公式如下：

BW = 1/（2πR×C（X，Y））， where R = 32 kΩ

由于具有單極點滾降特征，因此當電源電壓為5 V時，ADXL203的噪聲典型值可以通過下式確定：

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

通常需要知道峰峰值噪聲，因為該值可以最好地估算一次測量中的不確定性；峰峰值噪聲通過將均方根值乘以6來估算。

表1給出了給定濾波器電容的帶寬、均方根噪聲和峰峰值噪聲。對于此電路，兩個10 μF電容會產生0.5 Hz的帶寬。在所有情況下，所需的最小電容均為2000 pF。

傳感器的物理操作

該傳感器為表面微加工多晶硅結構，置于晶圓頂部。多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，提供加速度力量阻力。差分電容由獨立固定板和活動質量連接板組成，能對結構偏轉進行測量。

固定板由180°反相方波驅動。加速度使梁偏轉，使差分電容失衡，從而使輸出方波的幅度與加速度成比例。然后，使用相敏解調技術來對信號進行整流并確定加速度的方向。