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产品信息
关键词： 加速度计 信号调理 闭环随动式传感器 差动电容传感器
1 工作原理
图1 ADXL50和ADXL05型加速度传感器静止状态简化示意图
ADXL50型和ADXL05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*(poly silicon surfacemicromachined)敏感元件和信号调理电路组成。它可以测量正负加速度。
图2 传感器受到加速度作用时的示意图
图1是加速度传感器静止状态的简化示意图。敏感元件是差动电容CS1和CS2。它由两片固定的外侧*板和可移动的中间*板构成，中间*板受加速的作用而左右移动。静止时(无加速度作用时)CS1=CS2。当感受到加速度时，则如图2所示。其受感部件(受感质量)偏离中心位置
图3 ADXL50和ADXL05型加速度传感器的测量和信号调理电路
图4 ADXL50的两种封装及其出脚信号图向右移动，结果使CS1＜CS2。
图3表示测量电路和信号调理电路。它由1MHz方波振荡器，差动电容分压电路，跟随器
，
同步解调器，前置放大器，内部参考源，缓冲放大器(即输出放大器)和自检电路等组成。
敏感元件差动电容CS1和CS2串接起来，其外侧的两个*板分别加上1MHz的方波电压，它们的
幅度相等但相位相差180°，于是CS1和CS2形成电容分压电路，可移动的中间*板作为中间
抽头，输出的电压接到跟随器的输入端。当加速度为*时，输出平衡，直流电平为+18V。
在加速度作用之下，引起中间*板向左或向右偏移，其输出的幅值随加速度增加而*，而
相位则决取于加速度的方向。此输出电压经跟随器和同步解调器后，变成模拟电压再送到前
置放大器的输入端。前置放大器是一个仪器放大器，以+18V为参考电压，其输出V P
R 在加速度为*时，等于+18V。在加速度的作用之下，V PR 偏离+18V，此电压一方面通过3MΩ隔离电阻反馈到跟随器的输入端，另一方面它将产生一个静电力驱使中间*板(受感横睴)移向中间平衡位置。由于采用闭环反馈的力平衡技术，此静电力与加速度作力相互抵消*平衡，使敏感元件差动电容的中间*板回到其中间平衡位置。对于ADXL50，当加速度为+50g时，V PR =18V+10V=28V；加速度为-50g时，VPR=+18V-10V=+08V，传感器的灵敏度为20mV/g。由于这是一个闭环反馈随动传感器系统，其回路的带宽与反馈施加到敏感元件的时间快慢有关，故带宽可由外接解调电容C1的大小来决定。此回路能*快地响应加速度的变化。*高可达1kHz。ADXL50在0～1kHz的频带内能够维持平坦的响应，可以保持敏感元件实际上不运动。这种闭环反馈随动传感器消除了开环传感器中受感横睴的弹簧支持机构的非线性和老化影响的问题。
为了改变量程和输出电压的灵*，前置放大器之后，还配置了输出出大器(即缓冲放大器)
，可以设定外接电阻R1，R2和R3的阻值(参看图5)，以改变加速度计的刻度系数(即量程或灵敏度)或将输出电压的摆动范围扩展到+025～475V，也可以移动偏置(*点或0g)的电平
。为了*加速度计的性能，还提供了精密的内部参考源和自检电路。
ADXL50型和ADXL05型加速度计中采用了*的多晶硅表面微*技术，BiMOS电路和激光微
调薄膜电路等工艺，使用了温度稳定性较好的差动电容器作敏感元件，闭环反馈随动传感器
技术和周全的信号调理电路。因而使ADXL系列加速度计成为一种完整的标定了的内附参考并具有良好温度稳定性的加速度计。无需外加任何有源器件即可接到模数转换器(ADC)的输入端。
ADXL50和ADXL05由标准的+5V电源供电。它具有*的坚固性，能工作在汽车的环境中，可
以经受住2000g的冲击。它比压电晶体和压阻式敏感元件具有较高的温度稳定性。
2 性能与技术指标
21 特点
(a)ADXL50
·满刻度量程：±50g
·用数字命令可进行自检
·单电源工作：+5V
·输出电压范围：025V～475V
·灵敏度：20mV/g
·用户设定输出放大器的倍数和调节0g的电平
·可改变带宽：DC～1kHz
·附加滤波动能：外接无源元件构成两*点滤波器
·能承受2000g的冲击
·应用：张开气囊的碰撞检测，*带的收紧，振动分析和消除，以及碰
撞的模拟
(b)ADXL05
·用户可选择满量程：从±1g～±5g
·5mg(毫g)的分辨力
·噪声水平小于ADXL50的1／12
·输出灵敏度可选：从200mV／g～1V／g
·*加速度测量系统集成在单片集成电路上
·数字命令自检
·+5V单电源工作
·能承受1000g的冲击
22 技术指标
ADXL50的详细技术指标列在表1中。
23 *对*大额定值(指ADXL50)
加速度(任何轴向，不加电，05ms)2000g
加速度(任何轴向，加电，05ms)500g
输出短路时间无限
工作温度－55°C～+125°C
贮存温度－65°C～+150°C
24 封装及出脚信号
图4(a)是金属帽封装的出脚信号图，其金属壳接出脚“5”。
图4(b)是双列直插封装的出脚信号图。
3 使用方法
31 输出放大器增益及偏置的设定
图5 ADXL50的典型接法，其输出电压为025～
475V带宽1kHz
ADXL50前置放大器的输出在出厂时调整到输入0g时为+18V，－50g时为+08V而+50g
时
为+28V，其输出摆幅为±1V而其灵敏度为20mV／g。参看图5，用户可根据自己的需要，
外接三个电阻R1，R2和R3，改变输出放大器输出电压的范围和0g偏置电压(因为是+5V的
单电源供电，输出电压只能是单*性的)。其具体的计算方法如下：
R3R1=V ospan V prspan
(1)
式中：V ospan 是输出放大器输出电压的摆幅。V prspan 是前置放大器输出电压
的摆幅，它等于±1V。假定要求V ospan 为±225，则R3=225R1(2)
现在再来研究如何决定R2。当输入加速度为0g时，V PRO =+18V。输出放大器的同
相输入端接到固定的+18V。输出放大器闭环负反馈工作时，其同相输入端与反相输入端(
即出脚“10”)的电压相等(理想情况，开环增益无限大)。此时出脚“8”的电压和出脚“10
”的电压相等。即：V PRO =V 80 =V 100 =+18V
此时R1中的电流为*。于是流过R2的电流等于流过R3的电流，即：V 100 R2=V 00 -18R3
即： R2=V 100 ·R3V 00 -18=18·R3V 00 -18
(3)
式中V 100 和V 00 分别是输入为0g时的引脚“10”的电压和输出放大器的*点偏置电
压。为了提供输出摆幅为±225V，则0g时输出放大器的*佳偏置电压设定为V 00 =
+25V。R1=100kΩ，按式(2)则R3=225kΩ。根据式(3)，则R2=579kΩ。输出放大器的一般传递函数(直流)为V0=(18-V PR )R3R1+18(1+R3R2)
(4)
代入上述的电阻值则
V0=(18-V PR )225+250
(5)
进一步的了解刻度系数和偏置的调整以及量程的改变和外接电路参数的选择可参阅参考文献
〔6〕 。在本文的后面部分也将介绍。
32 频响带宽的设计
如按图5的接法，解调电容C1=25nF，成为一*点(一阶)滤波，带宽为1kHz。也可以将输出
放大器接成*两*点滤波器，如图6所示。按图6中的元件值，其增益为394，带宽
为200Hz。
图6 输出放大器接成*两*点滤波器
33 自检方法
任何时候均可使用片上自检电路。在敏感元器上有一个紧凑的机械间隙可以用+5V的电源对
受感(质量块)横睴作静电式的控制。在ADXL50出脚“7”，自检输入端加上
数字信号的高电平，于是受感横睴发生偏移，引起敏感元件差动电容的变化
，使输出*负满度输出值的5%以内，实现自检的任务。
4 扩展和*ADXL50和ADXL05性能的几种方法
在参考文献 〔3〕 ， 〔4〕 ， 〔5〕 和 〔6〕 中提供了扩展量程、降
低偏置电平温度漂移和扩宽频带的几种方法，现分别介
绍如下。
41 改变灵敏度和扩展量程的方法 〔6〕
为了将ADXL50的额定满量程，从±50g一档扩展为±50g,±40g,±20g和±10g四档；或将ADX
L05的量程从±5g一档扩展为±5g,±4g,±2g和±1g四档，可以采用图7所示电路的连接方法
。
图7 改变ADXL50和ADXL05灵敏度 或扩展量程
的电路接法
在图7中用微调电位器R1a和电阻R1b取代固定电阻R1，这样可以微调输出缓冲放大器的
增益，使灵敏度或量程的调节可以更*一些。如果0g的偏置电平*近似值，即可用固定值的R2，当需要*的偏置电平可增加0g电平微调电位器R4。对ADXL50和ADXL05两种加速度计的不同满量程和灵敏度及其相应的R1a，R1b和R3的数值列在表1中表1 ADXL05和ADXL50改变量程或灵敏度时外接R1a，R
1b和R3的阻值表
应该指出的是加速度计的灵敏度或量程虽然可以改变，但其分辨力仍不会改变。分辨力
是指某一加速度计可测量到*小的加速度的数值，它主要取决于加速度计本身的噪声和带宽
。它是由加速度计本身的特性所决定，而不取决输出放大器的增益。
42 动态加速度计电路接法 〔6〕
在动态测量或应用中，*要动态的加速度而不需要直流分量，可以采用图8所示的电路接
法。动态测量*动态部分，如图8中前置放大器的输出经过电容*接到R1，去掉直流分量
而将交变部分信号耦合到输出放大器。实际上接入了由R1和*构成的高通滤波器其低截止频
率FL等于：
FL=12πR1*(6)
图8 动态加速度计的连接电路图
0g时输出电压为+25V，正好是+5V电源的中点，使正负有*大的摆幅。此偏置电平由R
2设定，从式(3)中，代入V 00 =+25V可得：
R2=1825-18R3=1807R3=257R3(
7)
表2中列出ADXL05和ADXL50不同满量程和不同低截频FL时的R1，R2，R3和*的数值。
表2 ADXL05和ADXL50动态加速度计的外接元件R1，
R2，R3及*的推荐值表
由于ADXL50和ADXL05加速度计本身固有的谐振频率分别是24kHz和12kHz。扩展
其频宽还是有
余地的。这可用减小解调电容C1的数值的方法，能够将其带宽从1kHz拓宽到10kHz左右。图9
和图10分别表示采用不同数值的C1时，ADXL50和ADXL05的幅频和相频特性。
图9 ADXL50采用不同数值解调电容C1时的频响特性
图10 ADXL05采用不同数值解调电容C1时的频响特性
44 利用晶体恒温槽可得到*低温度漂移的加速度
计 〔4〕
用ADXL50加速度计测量较大的加速度时，其0g偏置电压(*点)随温度漂移的影响不大。但
是在测量较小加速度时，其影响比较严重，当*需测量真实的直流响应(即重力测量)，如测
量倾斜角(tilt angle)时，0g的偏置电压的温度漂移应该维持在很低的数值。例如“J”
级ADXL50的0g偏置电压的平均漂移是065mV/°C，从图10中的曲线可知从－10°C至+65
°C的漂移电压大约是45mV。
为了减少温漂，可将“J”级ADXL50加速度计放于M05070型晶体恒温槽(美国Isotemp
Resear
ch, inc公司的产品)中。维持在+70°C(ADXL50的*高使用温度)的恒温，从图11中的
特性曲
线可知，从－55°C～+65°C的温区内，其漂移电压小于1mV。当然，小量程的ADXL05加速度
计放在恒温槽中，其温漂比ADXL50小得多，故在低g值的测量中可获得更佳的效果。
图11 ADXL50不用和使用M05070型晶体恒温槽时，
0g偏置电压的温度漂移特性
45 用硬件或软件补偿加速度计的偏置温漂 〔5〕
在参考文献 〔5〕 中介绍了另一种补偿ADXL系列加速计偏置电压温漂的方法。这种方
法是先
测出偏置电压随温度变化的曲线。在使用时，测出ADXL系列加速度计输出电压，同时用AD59
0温度传感器测出电压(它与*对温度成正比)。再用硬件电路或软件的办法进行补偿处理以
降低偏置的温漂，详细情况请参阅参考文献 〔5〕 。
有关ADI公司加速度计的详细技术资料及选购业务，请与北京市英赛尔器件集团及其所属分
公司联系。
参考文献
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2 ANALOG DEVIC* 1996 SHORT FORM D*IGNERS' GUIDE,Analog Devices, Inc.,
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5 Charle Kitchin and Paul Brokaw. “Compensating for the og offset Drift
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6 Charle Kitchin, “Understanding Accelerometer Scale Factor and Offset
Adjustments” ANALOG DEVIC*, AN-396 Application Note