學(xué)子專(zhuān)區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn):雙軸傾斜傳感器

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是使用ADXL327構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的傾斜傳感器，并觀察輸出電壓如何隨x軸和y軸上的傾斜度而變化。

使用ADXL327的傾斜傳感器

背景知識(shí)

傾斜傳感器用于測(cè)量參考平面的多個(gè)軸上的傾斜度。這些傳感器可產(chǎn)生與相對(duì)于軸的傾斜度成比例的電信號(hào)。傾斜位置參考重力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)傾斜位置就可以輕松檢測(cè)方向或傾斜度。

在本次實(shí)驗(yàn)中，我們將使用ADXL327加速度計(jì)監(jiān)測(cè)x和y兩個(gè)軸上的傾斜度。該集成電路的功能框圖如圖1所示。

圖1 ADXL327的功能框圖

ADXL327是一款完整的小尺寸、低功耗、三軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，它可以測(cè)量?jī)A斜檢測(cè)應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及運(yùn)動(dòng)、沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。輸出信號(hào)為模擬電壓，與加速度成比例。ADXL327采用單一結(jié)構(gòu)檢測(cè)x、y和z軸。因此，這三個(gè)軸的檢測(cè)方向具有很高的正交特性且跨軸靈敏度很低。

圖2 加速度靈敏度軸

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線套件

■   一個(gè)ADXL327加速度計(jì)

■   兩個(gè)0.047μF電容

■   一個(gè)0.1 μF電容

■   兩個(gè)AD8561比較器

■   四個(gè)LED

■   四個(gè)100 Ω電阻

圖3 ADXL327傾斜傳感器試驗(yàn)板連接

硬件設(shè)置

首先，在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示的電路。將CDC電容放置在ADXL327電源引腳附近，以使加速度計(jì)充分退耦，從而消除電源噪聲。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，單個(gè)0.1 μF電容比較適當(dāng)。XOUT和YOUT引腳必須添加電容，以便利用低通濾波實(shí)現(xiàn)抗混疊和噪聲抑制。請(qǐng)參閱ADXL327數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解如何選擇這些電容的值。對(duì)于此應(yīng)用，可以使用0.047 μF濾波電容。試驗(yàn)板連接如圖3所示。

程序步驟

打開(kāi)3 V正電源，監(jiān)視示波器通道1上的XOUT和通道2上的YOUT。在所有電源電壓下，零g偏置輸出標(biāo)稱值等于VS/2。在本例中，可看到大約1.5 V的偏置信號(hào)。如果在x或y軸上以不同角度傾斜試驗(yàn)板，輸出電壓將隨著檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)成比例地增大或減小。

圖4 零g偏置輸出

帶LED指示燈的傾斜傳感器

背景知識(shí)

我們?cè)谑静ㄆ魃媳O(jiān)測(cè)ADXL327加速度計(jì)的輸出電壓。使用AD8561比較器和LED，可以使傾斜傳感器在傾斜度發(fā)生變化或檢測(cè)到振動(dòng)時(shí)發(fā)送光信號(hào)。每個(gè)軸使用一個(gè)AD8561比較器。兩個(gè)軸上的零g偏置輸出相似，并且將作為兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)。比較器的兩路輸出上各連接一個(gè)LED。兩個(gè)輸出信號(hào)相反，因此一次只有一個(gè)LED激活。

圖5 帶LED的傾斜傳感器的電路原理圖

圖6 帶LED的傾斜傳感器的試驗(yàn)板連接

硬件設(shè)置

在無(wú)焊試驗(yàn)板上，為加速度計(jì)的每路輸出添加兩個(gè)比較器和兩個(gè)LED（帶有相應(yīng)的限流電阻）。電路原理圖如圖5所示，試驗(yàn)板連接如圖6所示。

程序步驟

在這種情況下，我們需要將兩個(gè)比較器的電源V+和V-設(shè)置為±5 V。信號(hào)發(fā)生器通道1 (W1)將設(shè)置為恒定的3 V波形，并用作ADXL327的VS。信號(hào)發(fā)生器的第二通道(W2)將用作比較器的基準(zhǔn)輸入，其值必須設(shè)置為大約等于零g輸出偏置。此值之前已針對(duì)加速度計(jì)的兩路輸出進(jìn)行過(guò)測(cè)量（圖4）。這樣，每次檢測(cè)到傾斜度變化且電壓改變時(shí)，比較器的輸出都會(huì)改變其狀態(tài)，從而相應(yīng)地點(diǎn)亮LED。示波器只有兩個(gè)通道可用，因此我們可以一次分析加速度計(jì)的一個(gè)輸出電壓，但LED會(huì)亮起并指示x軸和y軸有變化。XOUT連接到通道1，W2生成的基準(zhǔn)電壓連接到通道2。

圖7 零g偏置X_OUT和基準(zhǔn)

如果在x軸上向右傾斜試驗(yàn)板，比較器的輸入電壓將低于基準(zhǔn)電壓，因此/OUT引腳將處于高電平，從而點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。

圖8 x軸向右傾斜對(duì)應(yīng)的電壓

如果傾斜方向相反，即向左傾斜，則比較器的輸入電壓高于基準(zhǔn)電壓，OUT引腳變?yōu)楦唠娖?，與其連接的LED點(diǎn)亮。

圖9 x軸向左傾斜對(duì)應(yīng)的電壓

問(wèn)題：

1.  改變C_DC的值會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生什么影響？

2.   用戶為什么要限制帶寬？限制X_OUT、Y_OUT和Z_OUT帶寬的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

您可以在學(xué)子專(zhuān)區(qū)論壇上找到問(wèn)題答案。

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué)，獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，并擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。