Charles Kitchin, David Quinn, 和 Steve Sherman

單片加速度計(jì)的輸出可以連接到電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（VFC），該電路的輸出是可變頻率的，以簡(jiǎn)單且低成本地產(chǎn)生與加速度成比例的頻率。由此產(chǎn)生的高電平交流信號(hào)中的信息可以通過(guò)具有衰減和非線性響應(yīng)的嘈雜環(huán)境發(fā)送，但可以可靠地恢復(fù)。對(duì)于加速度到數(shù)字轉(zhuǎn)換，可以輕松編程微處理器以讀取頻率并直接計(jì)算施加的加速度。

本文建議使用單電源電壓的兩個(gè)電路。其中一款采用精密高線性度VFC，AD654;另一個(gè)使用流行的低成本555定時(shí)器芯片。

高性能加速頻率電路：

圖1顯示了一個(gè)使用VFC的電路，其輸出頻率直接隨施加的加速度而變化。該電路采用+5 V單電源供電。

圖1.采用高線性度AD654 VFC的高性能加速頻率電路。

ADXL05封裝在TO-100密封罐中。在封裝標(biāo)簽方向上檢測(cè)到的加速度（正或負(fù)）直接轉(zhuǎn)換為模擬電壓。加速度可能與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也可能涉及涉及g的靜態(tài)測(cè)量，即地球重力的加速度。例如，如果安裝ADXL05時(shí)，使凸片的方向相對(duì)于垂直方向傾斜，則輸出將取決于g的在線分量，從而提供傾斜角度的測(cè)量值。

片內(nèi)緩沖放大器可提供縮放和失調(diào);加速度計(jì)的輸出電壓作為AD654VFC的輸入，控制AD1引腳654處輸出脈沖序列的頻率。表1顯示了一組縮放選項(xiàng)，用于控制外部電阻和電容的各種標(biāo)稱值的頻率對(duì)加速度的靈敏度，以及表示零加速度的頻率。

表 1.各種零g頻率和比例因子的標(biāo)稱電路元件值

ADXL05（引腳8處的電壓輸出）的標(biāo)稱靈敏度為±200 mV/g，1.8 V表示0 g。片內(nèi)緩沖放大器（引腳9輸出）將輸出失調(diào)增加到+2.5 V（使用+5 V電源時(shí)提供最大對(duì)稱輸出電壓擺幅），并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和緩沖。C5和R3提供低通濾波，以提高低電平分辨率（但限制頻率響應(yīng)）。增益和失調(diào)計(jì)算基于加速度計(jì)和VFC參數(shù)的標(biāo)稱值;實(shí)際性能受器件容差的影響可能很大。為了提高零g偏移和比例因子的精度，可以使用微調(diào)電位計(jì)電路來(lái)預(yù)測(cè)1%容差固定電阻的電阻值。

標(biāo)稱設(shè)計(jì)公式： AD654的輸出是一個(gè)脈沖序列，其頻率與輸入電壓的關(guān)系如下：

因此，對(duì)于ADXL0的2.5 V05 g輸出，對(duì)應(yīng)于零加速度的頻率為

比例因子或關(guān)系斜率（以 Hz/g 表示）是加速度計(jì)靈敏度 （200 mV/g）、緩沖放大器增益和 VFC 關(guān)系的乘積，或

圖 2 是 1kHz 零加速頻率和 100 Hz/g 比例因子的頻率和加速度之間的標(biāo)稱關(guān)系圖。

圖2.VFC輸出頻率與ADXL05芯片加速度之間的關(guān)系。

加速度計(jì)可以使用地球引力進(jìn)行自我校準(zhǔn)。當(dāng)加速度計(jì)的卡舌水平時(shí)，加速度計(jì)將測(cè)量 0 g，允許調(diào)整 0-g 偏移。當(dāng)加速度計(jì)的卡舌筆直朝下時(shí)，引腳9處的輸出電壓將對(duì)應(yīng)于+1 g。如果將加速度計(jì)旋轉(zhuǎn)以使選項(xiàng)卡指向筆直向上，則其輸出將測(cè)量 -1 g。然后，讀數(shù)的差異（2 g）可用于設(shè)置加速度到頻率的整體比例因子，使用可調(diào)Rt，即用一個(gè)固定的1%電阻代替，該電阻器與經(jīng)驗(yàn)確定的微調(diào)值串聯(lián)。

0 g頻率可通過(guò)50 kW微調(diào)電位器進(jìn)行調(diào)整，該電位器連接在ADXL05的引腳6（+3.4 V基準(zhǔn)電壓源）和地之間。電位器的游標(biāo)通過(guò)R10（更改為2 kW）連接到緩沖放大器的求和結(jié)引腳100。如有必要，應(yīng)迭代0-g和滿量程頻率調(diào)整，以獲得最準(zhǔn)確的設(shè)置。可調(diào)分壓器可以用固定電阻代替，用于可能影響電位器設(shè)置的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

使用 555 定時(shí)器以極低的成本加速到頻率：圖3顯示了如何將ADXL05加速度計(jì)連接到低成本CMOS 555定時(shí)器以提供頻率輸出。所示的組件值是為 ±1-g 傾斜儀應(yīng)用選擇的。

加速度計(jì)的標(biāo)稱 200mV/g 輸出出現(xiàn)在引腳 8 處，由板載緩沖放大器放大 2 倍至 400mV/g 電平。引腳0處的9 g偏置電平約為1.8 V，電容C4和電阻R3構(gòu)成16 Hz低通濾波器，以降低噪聲并提高測(cè)量分辨率。

CMOS 555 用作壓控振蕩器，其中 R5、R6 和 C5 設(shè)置標(biāo)稱工作頻率。選擇電阻R5和R6可提供約50%的占空比，將+1.8V （0 g）輸入信號(hào)施加到5的引腳555。為了盡量減少因電源變化而導(dǎo)致的頻率變化，555 采用加速度計(jì)的 +3.4 V 基準(zhǔn)電壓源按比例工作，而不是直接采用 +5 V 電源供電。

該電路的輸出頻率由R5、R6和C5設(shè)置的充電和放電時(shí)間決定。

使用圖3所示的電路和元件值，加速度計(jì)引腳9的標(biāo)稱輸出比例因子為±400 mV/g，因此電壓輸出為+1.8 V±0.4 V。3 引腳 555 處的輸出比例因子約為 16，500 Hz±每克 2，600 Hz。

發(fā)現(xiàn)該電路的頻率穩(wěn)定性非常好。使用圖3所示電路，頻率為15.5 kHz 0 g，在0至+0°C商用溫度范圍內(nèi)測(cè)得的70 g頻率漂移為5 Hz/°C，即0.03%/°C。 頻率與電源電壓的變化小于 10 Hz，電源電壓范圍為 +5.0 至 +9.0 V。

圖3.低成本加速頻率電路，使用流行且廣泛使用的555定時(shí)器。

審核編輯：郭婷