ADXL210AQC加速度

物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。 F FF F=m(d=m(d=m(d=m(dvvvv/dt)=m/dt)=m/dt)=m/dt)=maaaa 牛顿第二定律 加速度传感器是根据牛顿的第二定律而制造出来的。它是根据传感器里面的敏感的元件因为受到外力的作 用导致发生形变，然后利用仪器测量它的变形量，接着利用相关的电路把变形量转换成电压输出。 ADXL210AQCADXL210AQCADXL210AQCADXL210AQC 低成本、±10101010 gggg双轴 iMEMSiMEMSiMEMSiMEMS®®®®带数字量输出的加速度传感器 ADXL210AQCADXL210AQCADXL210AQCADXL210AQC 特性： ●ADXL210 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； ●占空比输出用户周期性可调； ●低功耗<0.6毫安； ●比电解质、水银、斜度测量仪响应快； ●每根轴的带宽均可通过电容调整； ●60 Hz带宽时的分辨率为 5mg； ● +3 V至+5.25 V单电源供电 ●可承受 1000g的剧烈冲击。 应用： ●2轴斜度测量； ●计算机周边产品； ●惯性导航； ●地震监测； ●交通安全系统； ●电池供电的运动测量装置。 概述 ADXL210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 ±10g10g10g10g。ADXL210 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) 。 ADXL210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 XF ILT和 YF ILT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。 ADXL210的带宽可以通过电容 CX 和 CY 在 0. 01 Hz～5k Hz的范围内设定。其典型噪声值为 500μg/ (Hz)1/ 2，60 Hz 带宽时的分辨率为 5mg。 ADXL210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℃。 ADXL210AQC–技术参数 除非另有说明，TA= TMIN ~ TMAX ,TA= +25℃，J级，VDD=+5V，RSET=125kΩ，加速度=0g。 参数 测试条件 ADXL210/JQC/AQCADXL210/JQC/AQCADXL210/JQC/AQCADXL210/JQC/AQC 单位 最小值 典型值 最大值 传感器输入 测量范围 1 非线性度 校直误差 2 校直误差 横向灵敏度 3 各轴 最佳拟合直线 X传感器，Y传感器 ±8 ±10 0.2 ±1 ±0.01 ±2 g % of FS Degrees Degrees % 灵敏度 占空比/g 灵敏度、模拟输出 温度漂移 4 各轴 T1/T2 @ +25°C 引脚 XFILT, YFILT ∆ 从 +25°C 3.2 4.0 100 ±0.5 4.8 %/g mV/ g % Rdg 0g 偏移 0g占空比 初始偏差 0g占空比与电源 0g偏差与温度 4 各轴 T1/T2 ∆ 从 +25°C 42 50 ±2 1.0 2.0 58 4.0 % g %/V m g/°C 噪声性能 噪声密度5 @ +25 ° C 500 1000 Hz/gμ 频域响应 3dB 带宽 3dB 带宽 传感器共振频率 引脚 XFILT，YFILT占空 比输出 500 5 14 Hz kHz kHz 滤波器 RFILT公差 引脚 XFILT，YFILT额定 ±15 % 最小电容 32 KΩ 1000 pF 自检测试 占空比变化 自检“0”到“1” 10 % 占空比输出阶段 FSET FSET 设置公差 输出高压 输出低压 T2漂移与温度 上升/下降时间 RSET= 125kΩ I = 25µA I = 25µA 0.7 Vs-200mV 125MΩ/RSET 35 200 1.3 200 kHZ mV mV ppm/℃ ns 电源 工作电压范围 商业性能 静态电流 开启时间 6 ~99% 2.7 4.75 0.6 160CFILT+0.3 5.25 5.25 1.0 V V mA ms 温度范围 工作温度范围 商业性能 JQC AQC 0 -40 +70 +85 ℃ ℃ 附注： 1适用于所有场合偏移和灵敏度的变化。 2校直误差指真实和指向轴之间的角度的灵敏度。 3横向灵敏度是校直和固有的灵敏度误差的代数和。 4在 TMIN至 TMAX范围内，从最初的在+25°C到最坏情况值的最大变化。 5噪声密度（ Hz/gμ ）是在任何频率上的一部分带宽中的平均噪声。 6CFILT（µF），滤波电容的增加会增加导通时间。请参阅应用部分。 绝对最大额定参数 参数 额定值 加速度 任意轴，无电（0.5ms） 任意轴，有电（0.5ms） 1000g 500g +Vs -0.3V~+7V 输出短路持续时间(任意引脚接地) 未定 工作温度范围 –55°C ~ +125°C 存储温度 –65°C ~ +150°C 注意，超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。这只是额定最值，不表示在这些条件下 或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，器件能够正常工作。长期在绝对最大额定 值条件下工作会影响器件的可靠性。 跌落到坚硬的表面，可造成的冲击大于 1000g，超过设备绝对最大额定值。必须小心处理，以避免损坏。 引脚功能描述 引脚编号 引脚名称 描述 1111，6666，8888 NC 空置端 2222 VTP 检测端 3333 ST 自我测试端 4444，7777 COM 公共接地端 5555 T2 外接 ROU T,可设定 T2周期 9999 YOUT Y轴脉宽信号输出端 10101010 XOUT X轴脉宽信号输出端 11111111 YFILT 连接 Y滤波电容 12121212 XFILT 连接 X滤波电容 13131313 VDD 电源端，接+ 3V～+ 5. 25V，与 14引脚相连 14141414 VDD 电源端，接+ 3V～+ 5. 25V，与 13引脚相连 封装特性 封装类型 θJAJAJAJA θJCJCJCJC 器件重量 14-引脚 LGA 110°C/W 30°C/W 5g 引脚配置 图 1111显示了 ADXL210对地球引力场的反应。显示输出值是标称的。图 1向用户显示了相对于地球方向变化 引起的 ADXL210每个输出引脚的响应。 ADXLADXLADXLADXL210210210210对地球重力的反应。输出值为额定值。 订购信息： 警告： ESD （静电放电）敏感器件。带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专 利或专有保护电路，但在遇到高能量 ESD 时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的 ESD 防范措施， 避免器件性能下降或功能丧失。 典型特征 ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210 释义 T1 一个周期内高电平持续时间的长度。 T2 总周期的长度。 占空比 高电平持续的时间（T1）与总周期的比值（T2)。在 ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210中定义 T1/T2T1/T2T1/T2T1/T2为占空比。 脉宽 高电平持续的时间。在 ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210中定义 T1T1T1T1为脉宽。 工作原理 ADXL210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(DCM)的数字信号。这些数字信号直接由微处理器的计数器/定时器解码。ADXL210可测量正负加速 度,其最大测量范围为±10g。AD XL 202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(DCM)。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（见图 12）。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。 ADXL210工作电源电压低至 3.0V或高达 5.25V。 图 12121212 占空比典型输出 应用 电源去耦 对于大多数应用程序，一个 0.1μF电容（CDC），将从电源的信号和噪声的加速度计上充分去耦。 对于大多数的应用中，一个单一的 0.1μF的电容，将充分去耦从电源上的信号和噪声的加速度计。如何过，在某些情况下，特别是在数 字设备，如微控制器共用同一个电源，数字电源上的噪声可能会造成干扰ADXL210的输出。这往往是观察到在X处的电压作为缓慢起伏的 波动 XFILT和 YFILT。如果需要额外的去耦，一个 100Ω（或更小）的电阻或铁氧体磁珠，可以插入在的ADXL210的供给线。 ADXL210的设计过程 ADXL210带占空比输出的设计程序，包括选择一个占空比周期和滤波电容。适当的设计将考虑到带宽 的应用要求，信号的分辨率和采集时间，在下面的章节中讨论。 VVVVDDDDDDDD ADXL210有两个电源（VDD）输入引脚 13和 14。这两个引脚应该直接连接在一起。 COMCOMCOMCOM ADXL210有两个公共端，引脚 4和 7。这两个引脚应该直接连接和引脚 7接地。 VVVVTPTPTPTP 该管脚应保持开路, 不与其它任何管脚相连。 去耦电容 CCCCDCDCDCDC VDD与 COM引脚间连接去耦电容 CDC，推荐使用 0.1μF。 STSTSTST 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 800mg的加速度。平时该引 脚可开路，亦可与 COM引脚相连。 占空比解码 ADXL210的数字输出是一个占空比调制器。T1/ T2 与被测加速度成线性关系。 ADXL210的标称输出为： 0g=500g=500g=500g=50％占空比 比例因子（灵敏度）为每 g所引起的脉宽占空比变化 4%。初始容差的设备，包括零 g偏移误差和灵敏度误 差，影响标称输出值。（0g时的失调和系统误差影响实际输出值。） 不必每一个测量周期都测量 T2，只需在温度变化（一个相对缓慢的过程）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 ADXL210一路的 T2值就行。 使用 CCCCXXXX和 CCCCYYYY设置的频带： ADXL210 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： ( ) ( )[ ]yxdB3- Ck322 1 F ，π ×Ω = 或简化为： ( )yx dB3- C F5 F ， µ = 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。 表Ⅰ给出滤波电容 CX和 CY与信号带宽的关系。 表Ⅰ 滤波电容 CX和 CY的选择 带 宽 电 容 值 10Hz 0. 47μF 50Hz 0. 10μF 100Hz 0. 05μF 200Hz 0. 027 μF 500Hz 0. 01μF 5k Hz 0. 001 μF 利用 RRRRSETSETSETSET设定 DCMDCMDCMDCM的周期 有两个通道的 DCM的周期是通过接地电阻 RSET来设定。 计算公式为： ( ) Ω Ω = M R SET 125 T2 125kΩ的电阻将周期设定为大约 1 kHz或 1ms左右。器件可在周期 0.5ms～10ms范围内运行,也可由表 II. 来选择 RSET。 表 II. T2 与 RSET阻值的关系 T2 RSET 1 ms 125 kΩ 2 ms 250 kΩ 5 ms 625 kΩ 10 ms 1.25 M Ω 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。 选择合适的加速度计 ADXL210应用在，预期加速度大于±2g的场合。 微机接口 ADXL210是专门设计的低成本微控制器。特定的代码，参考设计，应用笔记由工厂提供。本节将勾勒 出一个一般的设计过程，并讨论各种不同的需要考虑的权衡。。 设计师应具备系统所需的性能方面的一些想法： 分辨率：需要被检测的最小的信号变化。 带宽：需要被检测的最高频率。 采集时间：将获得每个轴的信号的时间。 这些要求将有助于确定加速度计的带宽、微控制器的时钟的速度和 T2周期的长度。 当选择微控制器时，有一个计数器/定时器可用端口十分有益。微控制器应该有规定的软件校准。 ADXL210 是非常精确的加速度计，他们有一个很大的初始偏移容差。 偏移量置零的最简单的方法是用一个微控制器 上保存的校准因子或由用户校准为零。在制造过程中的偏移量进行校准的情况下，有几个选项，包括外部 EEPROM和具有“一次性可编程”特性的微控制器。 滤波器的设计：噪音//// 带宽 选择 ADXL210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。 ADXL210的模拟信号输出具有典型的 5k Hz带宽，远远高于占空比阶段是能够转换。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 1/ 10占空比频率低。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。ADXL210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。 ADXL210的典型噪声值可用以下公式计算： ( ) ( )BW5.1 Hz g500 ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = μ均方值噪声 例如：100 Hz 时的噪声均方值为： ( ) ( ) mg12.61005.1 Hz g500 =××⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = μ均方值噪声 通常噪声峰值是确定的, 可通过均方值（rms）来估计。噪声峰-峰值只能用统计方法估计。 表 IV.给出了 ADXL210在不同的 CX和 CY值时的噪声峰值。 表 III 估计噪声峰-峰值 噪声额定峰值 噪声超过峰值的时间 2. 0 ×rmS 82% 4. 0 ×rmS 4. 6 % 6. 0 ×rmS 0. 27 % 8. 0 ×rmS 0. 006 % 表 IV. 滤波电容 CX和 CY的选择 带宽 CX，CY 噪声(rmS) 噪声峰值(概率 95%) (rmS×4) 10Hz 0. 47μF 1. 9mg 7. 6mg 50Hz 0. 10μF 4. 3mg 17. 2mg 100Hz 0. 05μF 6. 1mg 24. 4mg 200Hz 0. 027μF 8. 7mg 35. 8mg 500Hz 0. 01μF 13. 7mg 54. 8mg T2T2T2T2和计数器频率 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。 ADXL210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 V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。 表 V 微控制器的计数时钟, T2 和脉宽调制信号的分辨率 T2 ms RSET (kΩ) ADXL210 采样速率 计数时钟频率 (M Hz) 每 T2时间 内计数值 每 g计数值 分辨率 (mg) 1.0 124 1000 2.0 2000 250 4.0 1.0 124 1000 1.0 1000 125 8.0 1.0 124 1000 0.5 500 62.5 16.0 5.0 625 200 2.0 10000 1250 0.8 5.0 625 200 1.0 5000 625 1.6 5.0 625 200 0.5 2500 312.5 3.2 10.0 1250 100 2.0 20000 2500 0.4 10.0 1250 100 1.0 10000 1250 0.8 10.0 1250 100 0.5 5000 625 1.6 使用占空比输出与微控制器的策略 概述了占空比输出与低成本微控制器各种策略应用的笔记可从工厂获得。 用 ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210作为一个两轴倾斜传感器 ADXL210的一个最流行的应用是倾斜测量。加速度计运用重力作为输入向量，决定物体在空间的方向。 当加速度计的敏感轴垂直于重力时，也就是平行于地球表面的时候，它对倾斜是最敏感的。在这个方向它 对倾斜变化敏感是最高的。当加速度计轴导向重力方向，也就是读数接近 1g或者-1g，加速度计每度输出的 变化是可以忽略的。当加速度计垂直于重力时，每倾斜变化 1°，输出将变化将近 17.5mg。但是在 45°时， 它的变化只有 12.2mg 每度，并且分辨率下降。下面的图表举例说明了器件对重力从-90°到+90°倾斜时在 X和 Y轴的变化。 ADXLADXLADXLADXL210210210210用于双轴斜度测量仪 表 11114444 倾斜角度与加速度变化的关系 一个两轴倾斜传感器：变加速度计为倾斜计 当加速度计的 X和 Y轴都平行于地球表面时，它能用来当作一个拥有一个摆动轴和俯仰轴的两轴倾斜传感 器。一旦从加速度计的输出的信号转变成加速度，加速度的范围是±1g，读数输出倾斜累计如下： Pitch=ASIN(Ax/1g) Roll=ASIN(Ay/1g) 必须考虑越界。因为摆动、震动或者其它加速度，加速度计可能输出远大于±1g的信号。 测量 360360360360°倾斜 用两个相互垂直的加速度计能够测量 360°的方向（见图 15）。当一个传感器读出每度的最大值，另外一个 就是最小值。 图 15 使用双轴加速度传感器测量 360°范围斜度示意图 应用模拟输出 ADXL210特别设计了它的数字输出端口，同时也预备了模拟输出端口。 占空比滤波 占空比可以滤波后变成模拟量输出。这种技术只需要无源元件。占空比周期（T2）应该设置为 1ms。一个 带宽 3dB的 RC滤波器，被连接到占空比输出。RC滤波器频率小于 1/10占空比。滤波器的电阻应该不小于 100kΩ， 以防止输出过载。.模拟输出信号与电源电压成正比。.这种方法的优势是输出范围大约是模拟输 出的两倍。优点是当用 XFILT，YFILT输出时，可以降低频率响应。 XXXXFILTFILTFILTFILT，YYYYFILTFILTFILTFILT 输出 第二种方法是在 XFILT，YFILT引脚用模拟输出。不幸的是，这些引脚有一个 32kΩ的输出阻抗，不是设计用 来直接驱动负载的。该引脚可能需要一个运算放大器跟随器来缓冲。这种方法的优点是加速度计有 5kHz的 带宽能够给用户用。一个电容器必须加在这一段进行滤波。占空比必须保持在 RSET<10MΩ的情况下运行。 注意：加速度计的偏置和灵敏度与电源电压有比例关系。偏置和灵敏度通常为： 0g 偏置=VDD/2 2.5V VVVVDDDDDDDD=+5V ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210 灵敏度====（20mv20mv20mv20mv ××××VVVVssss）/g/g/g/g 100mv/g100mv/g100mv/g100mv/g VVVVDDDDDDDD=+5V ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210的低功耗应用 一个应用低功耗策略的注意要点可以利用。一些关键点列举如下：用下面的技术，可以将 ADXL210的平均 电流从 0.6mA 减少到 20uA以下： （1111） 加速度计重新启动 （动力循环？） （2） 加速度计在低电压下工作（少于 3V） 8.外部 A/D重新启动 依赖 XFILT 电容的值，ADXL210能够在 1.6ms内启动并且给出一个好的读数。大多数基于 A/D的微处 理器能够在 25us 内获得一个读数。因此它可以启动 ADXL210并且在时间<2ms内读数。如果我们假定 20Hz 的采样率足够，总电流要求取 20个采样点，平均电流=2ms×20采样数/s×0.6mA=24uA。工作在 3V下，供 电电流将从 0.6mA 减少到 0.4mA，平均电流下降到 16uA。 A/D应当读取 ADXL210的 XFILT 和 YFILT引脚的模拟输出。建议加一个缓冲放大器，在任何需要的时候 能放大模拟输出，在 8-bit 到 10-bit转换下，有足够的分辨率。 当用数字输出下动力循环 一个可选的办法是让微处理器工作在一个较高的时钟周期下，同时在读之间关闭，允许用数字输出。 这种方法下，应该设置 ADXL210的最快采样率（T2=0.5ms），XFILT和 YFILT滤波频率 500Hz。这种方法是要 求尽可能快的读数，然后关闭 ADXL210和微处理器直到下一个需要采样的时间。 上面的任何一个方法，ADXL210能够直接开启和关闭，在微处理器上用一个数字端口引脚给加速度计 提供电能，不用外加的器件。这个管脚应当用来转换加速度计的普通引脚，这样引脚是“下拉”。 校准 ADXL210ADXL210ADXL210ADXL210 比如用作倾斜测量的时候，ADXL210的偏置初始值要求校准。ADXL210结构设计成校准发生在微处 理器的用来译解周期信号的软件中。校准量可以被存储在 EEPROM中或者确定保存在动态存储器中。 在低重力下应用中，重力稳定、精确而方便，加速度参数可以参考。0g的读数指向可以确定方向平行 于地球表面然后读取输出。一个更精确的校准手段是测量+1g和-1g。灵敏度由 2个测量决定。 校准时，加速度计的测量轴直接指向地球。1g读数已经保存，然后传感器旋转 180°去测量-1g。用这两个 读数，灵敏度是： 假设 A=加速度计指向+1g时的输出 B=加速度计指-1g时的输出： 则 灵敏度=（A-B）/(2g) 例如，如果+1g读数(A)是 55%的占空比，-1g是 32%的占空比， 灵敏度=(55%-32%)/2g=11.5%/g. 上述等式不论在模拟输出还是占空比输出都能用。 从占空比和自动校准路径校准加速度计的应用要点可以从工厂得到。