三轴加速度计ADXL330的特点及其应用

●新特器件应用１ＡＤＸＬ３３０简介ＡＤＸＬ３３０是美国模拟器件公司（ＡＤＩ）新近推出的一款带有信号调理电路，可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗３轴加速度计。

ＡＤＸＬ３３０将ｉＭＥＭＳ（微机电系统）传感器结构与信号调理结合在一起，功耗电流降低至２００μＡ（在２．０Ｖ电源电压下），比同类器件的功耗典型值低５０％。

考虑到手机和其他便携式消费类电子产品的设计要求，ＡＤＸＬ３３０采用４ｍｍ×４ｍｍ×１．４５ｍｍ小型封装，集成了一个坚固的３轴传感器结构及其信号调理电路，该加速度计的测量动态范围是±３ｇ。

单块的硅表面具有微机电传感器和信号处理电路可实现开环加速度测量，输出的模拟电压信号与加速度成正比，它不仅可以测量静态加速度（如某个斜坡上的加速度），还可以测量动态加速度（如物体在移动、震动时产生的加速度），具有１００００ｇ额定耐冲压强度，具有良好的０ｇ偏压稳定性和良好的灵敏度。

利用３轴ｉＭＥＭＳ加速度计可以实现多种功能，从而改进了用户与便携式电子产品间的互动界面，但昂贵的价格一直是制约ｉＭＥＭＳ加速度计大规模应用的瓶颈。

ＡＤＩ推出的ＡＤＸＬ３３０大批量报价低于２．００美元／片，已经接近１美元的临界价位，预计低于１美元的３轴ＭＥＭＳ加速度计将在未来两年内面世。

ＡＤＸＬ３３０可应用于蜂窝手机、ＧＰＳ导航系统、车辆稳定控制、惯性测量单元、导航控制领域等。

２ＡＤＸＬ３３０结构功能ＡＤＸＬ３３０的引脚排列如图１所示。

从图中可以看出，１、４、９、１１、１３、１６是预留引脚；２引脚是自我三轴加速度计ＡＤＸＬ３３０的特点及其应用孟维国（苏州大学电子信息学院，江苏苏州２１５０２１）摘要：ＡＤＸＬ３３０是美国模拟器件公司推出的完整的三轴加速度计，可以静态或者动态测量物体的加速度，测量范围是±２ｇ。

介绍了ＡＤＸＬ３３０的主要特点及其在组合导航系统中的应用。

关键词：加速度计；ＡＤＸＬ３３０；ＧＰＳ；ＳＩＮＳ；组合导航系统中图分类号：ＴＰ２３文献标识码：Ｂ文章编号：１００６－６９７７（２００７）０２－００４７－０３ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｒｅｅａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＡＤＸＬ３３０ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＭＥＮＧＷｅｉ－ｇｕｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＳｏｏｃｈｏｗＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＡＤＸＬ３３０ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＡＤＩ，ａｎｄｉｔｉｓａｃｏｍｐｌｅｔｅ３－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｎａｓｉｎｇｌｅｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩＣ，ｉｔｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｔａｔｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｄｙｎａｍｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｉｔｈａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆ±３ｇ．ＴｈｅｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＤＸＬ３３０ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＡＤＸＬ３３０；ＧＰＳ；ＳＩＮＳ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ图１ＡＤＸＬ３３０引脚排列检测；５、６、７引脚是公共地；１４、１５引脚是电源；８、１０、１２引脚是加速度模拟信号输出。

为了使ＡＤＸＬ３３０正常工作，还需要一些简单的外围元件，图２是ＡＤＸＬ３３０的内部功能模块图。

ＡＤＸＬ３３０基本工作过程为：首先利用微传感器感知三维的加速度，将得到的三维交流信号放大，然后分别将信号解调，在输出端分别将三路信号再次放大、滤波后输出和加速度成正比的模拟电压。

下面详细介绍其结构功能和使用特点。

ＡＤＸＬ３３０的微机械传感器集成在一片硅晶体表面，传感器与硅晶片之间的空隙可以减缓加速度产生的力，加速度使移动物体变形，独立固定极板以及粘附在移动物体上形成的电容差是衡量结构变形程度的标准，固定极板由１８０°相位变化的方波驱动。

由于物体变形，导致差分电容失去平衡，并通过微传感器输出与加速度成正比的电压幅度。

解调结果放大后，通过一个３２ｋΩ电阻（图２中的ＲＦＩＬＴ）输出，用户可以通过设置电容Ｃｘ、Ｃｙ和Ｃｚ的大小控制带通滤波器通带范围，通带的选择要适合于具体的运用，对于Ｘ轴和Ｙ轴，带宽可以从０．５Ｈｚ～１６００Ｈｚ，而对于Ｚ轴，带宽从０．５Ｈｚ到５５０Ｈｚ，滤波器的作用是提高分辨率和减少干扰。

ＡＤＸＬ３３０能够同时测得Ｘ、Ｙ和Ｚ方向上的加速度参量，并且在这三个方向上的数据是正交的，传感器的错位是３个轴间交叉干扰的主要来源，可以通过校准来减小这种干扰。

ＡＤＸＬ３３０采用了新的设计技术，保证了其高性能，同时避免了使用额外的温度补偿电路，这种设计可以最大限度地减少量化误差和测量结果的非线性，温度的滞后性也很低（－２５℃～７０℃时，温度的影响小于３ｍｇ）。

在电源去耦方面，绝大多数情况下，单个ＣＤＣ为０．１μＦ时可以消除噪声干扰，该电容应放置在电源引脚附近，降低５０Ｈｚ时钟频率段噪声对测量结果的干扰，如果还有额外的去耦要求，可以在电源上加一个１００Ω（或者更小）的电阻或者铁氧化物，如果需要更大的通带范围，可在ＣＤＣ上并联其他电容。

另外必须要保证ＡＤＸＬ３３０的接地脚也能抗干扰，因为接地引脚干扰和电源干扰具有相同的危害。

在具体设置Ｘ、Ｙ、Ｚ轴带宽时，ＡＤＸＬ３３０具有带宽限制措施，在某些引脚上需增加小容量电容实现低通滤波功能。

带宽主要是由ＲＦＩＬＴ以及Ｃｘ、Ｃｙ和Ｃｚ决定的，带宽公式如下：ｆ－３ｄＢ＝１／（２πＲＦＩＬＴ）×Ｃ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）（１）电阻ＲＦＩＬＴ的标称值为３２ｋΩ，但实际值会有点偏差，带宽亦会相应变化，ＣＸ、ＣＹ和ＣＺ的最小值不能小于０．００４７μＦ，不同电容值对应于不同带宽。

加速度计的带宽最终决定了测量精度（即测量分辨率），通过使用滤波器可以降低噪声干扰，从而提高分辨率。

ＡＤＸＬ３３０输出带宽大于５００Ｈｚ（典型值），用户应该在此频率附近设置滤波器以减少测量误差，滤波器的带宽必须小于或等于输出引脚上Ａ／Ｄ采样频率的一半，否则会引起干扰。

当然，模拟带宽还可以进一步的减少，从而提高分辨率，降低干扰。

ＡＤＸＬ３３０的噪声具有高斯白噪声特性，噪声分布在所有的频段上面，噪声的单位是μｇ／√Ｈｚ（噪声大小与加速度计的带宽均方根成正比），所以用户应该尽量减少带宽来提高分辨率，加大其测量的动态范围。

对于单片的加速度计，其噪声定义如下：均方根噪声＝噪声密度×√ＢＷ×１．６）其中，ＢＷ是带宽。

通常，需得到噪声的峰值，另外噪声的峰－峰值只能通过静态测量。

ＡＤＸＬ３３０具有自我检测功能，由ＳＴ引脚来实现，当ＳＴ引脚电压等于电源电压时，可以检测加速度计是否正常工作，测试时，输出引脚有电压。

Ｘ轴输出电压典型值为－１５０ｍＶ，相当于加速度为－５００ｍｇ；Ｙ轴为１５０ｍＶ，相当于加速度为５００ｍｇ；Ｚ轴为－６０ｍＶ，相当于加速度为－２００ｍｇ。

如果输出引脚有这些电压值输出，就表示该加速度计正常工作。

在不作为测试引脚使用时，ＳＴ引脚可以不接或者接地，ＳＴ引脚上的电压应小于３Ｖ，如果系统有多电源输入，用稳压二极管来保证ＳＴ引脚电压小于３Ｖ。

ＡＤＸＬ３３０的各种参数是在电源电压为３Ｖ时进行测定和标称的，但电源电压范围为２Ｖ～３．６Ｖ，图２ＡＤＸＬ３３０的内部功能模块图当电源电压变化时，所得到的参数也会发生改变，因为其输出敏感度随着电源电压的不同而不同。

当电源为３．６Ｖ时，输出灵敏度为３６０ｍＶ／ｇ，即输出每增加３６０ｍＶ，测得的加速度增加１ｇ，在电压为２．０Ｖ时，灵敏度为１９５ｍＶ／ｇ，即输出每增加１９５ｍＶ，测得的加速度增加１ｇ。

同时０ｇ（即加速度为０时的输出电压）也与电源电压有关，约为ＶＳ／２（ＶＳ为电源电压），也就是说，如果电源电压为３Ｖ，那么无加速度时输出为１．５Ｖ，当有加速度时，根据输出电压和灵敏度判断加速度的大小和方向。

例如：若灵敏度为３６０ｍＶ／ｇ，输出电压为１．８６０Ｖ，则测得的加速度为１ｇ。

噪声的输出与电源电压值无关，当电源电压增大时噪声密度降低，这是因为噪声电压一定的情况下，刻度因子ｍＶ／ｇ增大。

当电源电压为３．６Ｖ时，Ｘ、Ｙ轴的噪声密度为２３０μｇ／√Ｈｚ；电源电压为２Ｖ时，其噪声密度为３５０μｇ／√Ｈｚ。

一般情况加速度计的自测响应约与电源电压成正比，但是考虑到电源电压对灵敏度的影响，自测响应约与电源电压的三次方成正比。

例如，当电源电压为３．６Ｖ时，自测响应为：Ｘ轴是－２７５ｍＶ，Ｙ轴是２７５ｍＶ，Ｚ轴是－１００ｍＶ；当电源电压为２．０Ｖ时，自测响应为：Ｘ轴是－６０ｍＶ，Ｙ轴是６０ｍＶ，Ｚ轴为－２５ｍＶ。

另外电源电压下降会导致电流下降，当电源电压为３．６Ｖ时，电流消耗约为３７５μＡ；当电源电压为２．０Ｖ时电流消耗约为２００μＡ。

３在组合导航系统中的应用ＡＤＸＬ３３０主要应用于组合导航系统中。

组合导航系统是由２个或者更多的导航系统联合导航，一般的组合导航系统是由捷联式惯性导航系统和ＧＰＳ导航系统组成。

ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量，由空间部分、地面监测部分和用户接收部分组成，用户接收机只要能同时观测到４颗或４颗以上的卫星，就可以完全解算出载体的三轴坐标、三维速度分量和时间等信息。

其主要优点是体积小、重量轻、定位和测速精度高、误差不随时间积累（长时效应好）、基本不受地域的限制，但是也存在明显的缺点，比如：载体做大机动飞行及信号被地形淹没时，ＧＰＳ信号有可能中断或者有比较大的错误、信号更新率低，不能满足实时要求、低成本的ＧＰＳ不能输出物体的姿态。

捷联式惯性导航系统（ｓｔｒａｐ＿ｄｏｗｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ＳＩＮＳ）利用惯性测量元件（加速度计，陀螺仪）测量物体相对空间的运动参数，并经过计算后实施导航任务，具体地说，是用加速度计计算物体的加速度，通过积分得到速度，再通过积分得到位移。

陀螺仪计测量物体角速度，通过计算得到物体的姿态。

其主要优点：自主性好，可以不依赖外界信息独立工作，不受环境和自身运动的干扰，短期精度和稳定性高。

但也有明显的缺点：性价比高、体积大、笨重，另外由于要进行积分，所以误差是发散的，累计误差太大，不能长时间工作。

综上所述，ＧＰＳ与ＳＩＮＳ各有长短，所以任何一种形式的导航都不能满足现代导航的需求，为了实现高精度、高可靠性、全天候导航，最有效的方法是把这两种设备组合成一个有效的整体，从而形成组合导航系统。