在本系列的第一部分中，我們回顧了 3 軸高精度 MEMS 加速度計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在第二篇文章中，我們將回顧如何獲取良好的起始數(shù)據(jù)集以建立基準(zhǔn)性能，并驗(yàn)證后續(xù)數(shù)據(jù)分析中預(yù)期的噪聲水平。

雖然加速度計(jì)的模擬輸出可以連接到任何模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但制造商通常會(huì)提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的評(píng)估板，可直接放入客戶系統(tǒng)中，以便于使用現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。為了便于本文說(shuō)明，我們使用了小型評(píng)估板 EVAL-ADXL35x。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，將 EVAL-ADXL35x 連接到 SDP-K1 微控制器板并使用 Mbed 環(huán)境進(jìn)行編程。Mbed 是一個(gè)開源且免費(fèi)的 ARM 微控制器板開發(fā)環(huán)境。它有一個(gè)在線編譯器，可讓開發(fā)人員快速上手。SDP-K1 板連接到 PC 時(shí)，會(huì)顯示為外部驅(qū)動(dòng)器。要對(duì)板進(jìn)行編程，只需將編譯器生成的二進(jìn)制文件拖放到 SDP-K1 驅(qū)動(dòng)器中即可。3、4

一旦 Mbed 系統(tǒng)通過(guò) UART 記錄數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在就有了一個(gè)基本的測(cè)試環(huán)境，可以嘗試加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)并將輸出流式傳輸?shù)胶?jiǎn)單的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和進(jìn)一步分析。重要的是要注意，無(wú)論加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)速率如何，Mbed 代碼都只能以 2 Hz 的頻率記錄寄存器。在 Mbed 中可以實(shí)現(xiàn)更快的記錄速度，但這超出了本文的討論范圍。

良好的起始數(shù)據(jù)集有助于確定基準(zhǔn)性能，并驗(yàn)證在我們大多數(shù)后續(xù)數(shù)據(jù)分析中預(yù)期的噪聲水平。使用帶有吸盤支架的 PanaVise 鉸接式虎鉗臂5可以在工作臺(tái)設(shè)置中實(shí)現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定的工作表面，因?yàn)樗梢晕皆诓ＡЧぷ鞅砻嫔?。在這種配置下，ADXL355 板(從側(cè)面握住)與實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面一樣穩(wěn)定。更高級(jí)的高級(jí)用戶可能會(huì)注意到，這種虎鉗支架存在一些傾倒運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，但這是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法，允許根據(jù)重力改變方向。將 ADXL355 板放置在支架上(如圖 1 所示)，可以捕獲一組 60 秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行首次分析。

圖 2. 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 支架的測(cè)試設(shè)置。

圖 2. 沒(méi)有低通濾波器的 ADXL355 數(shù)據(jù)(寄存器 0x28=0x00)，拍攝時(shí)間超過(guò) 1 分鐘。(來(lái)源：Analog Devices)

取 120 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果顯示噪聲范圍為 800 μ g至 1.1 m g。從數(shù)據(jù)手冊(cè)中 ADXL355 的典型性能規(guī)格來(lái)看，噪聲密度為 25 μ g /√Hz。使用默認(rèn)低通濾波器 (LPF) 設(shè)置時(shí)，加速度計(jì)的帶寬約為 1000 Hz。因此，噪聲預(yù)計(jì)為 25 μ g /√Hz × √1000 Hz = 791 μ g均方根，假設(shè)是磚墻式濾波器。第一個(gè)數(shù)據(jù)集通過(guò)了第一次嗅探測(cè)試。準(zhǔn)確地說(shuō)，從噪聲頻譜密度到均方根噪聲的轉(zhuǎn)換應(yīng)該有一個(gè)因子來(lái)表示數(shù)字 LPF 沒(méi)有無(wú)限滾降(即磚墻式濾波器)。有些人對(duì)簡(jiǎn)單的 RC 單極 20 dB/十倍滾降使用 1.6× 系數(shù)，但 ADXL355 數(shù)字低通濾波器不是單極 RC 濾波器。無(wú)論如何，假設(shè)系數(shù)在 1 到 1.6 之間至少可以讓我們得到噪聲預(yù)期的正確近似值。

對(duì)于許多精密傳感應(yīng)用，1000 Hz 的帶寬對(duì)于被測(cè)信號(hào)來(lái)說(shuō)太寬了。為了幫助優(yōu)化帶寬和噪聲之間的權(quán)衡空間，ADXL355 有一個(gè)板載數(shù)字低通濾波器。對(duì)于下一個(gè)測(cè)試，我們將 LPF 設(shè)置為 4 Hz，這應(yīng)該會(huì)使噪聲凈減少 √1000/√4 ≈ 16 倍。這在 Mbed 環(huán)境中使用圖 3 所示的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)即可輕松完成，而數(shù)據(jù)如圖 4 所示。6濾波后，噪聲明顯下降，正如預(yù)期的那樣。如下表 1 所示。

圖 3. 用于配置寄存器的 Mbed 代碼。

圖 4. LPF 設(shè)置為 4 Hz(寄存器 0x28=0x08)的 ADXL355 數(shù)據(jù)，采集時(shí)間超過(guò) 1 分鐘。(來(lái)源：Analog Devices)

表 1. ADXL355 的預(yù)期噪聲和測(cè)量噪聲(來(lái)源：Analog Devices)

噪音X是是

理論值

(μg)測(cè)量值

(μg)理論值

(μg)測(cè)量值

(μg)理論值

(μg)測(cè)量值

(μg)

沒(méi)有過(guò)濾器7919237911139791805

4 Hz 濾波器5058501855063

表 1 顯示，當(dāng)前設(shè)置下 y 軸的噪聲高于理論預(yù)期。在調(diào)查了可能的原因后，我們注意到額外的筆記本電腦和其他實(shí)驗(yàn)室設(shè)備風(fēng)扇振動(dòng)可能在 y 軸上表現(xiàn)為噪聲。為了測(cè)試這一點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)虎鉗以將 x 軸置于 y 軸進(jìn)行此測(cè)試的位置，并且噪聲較高的軸確實(shí)移動(dòng)到了 x 軸。軸之間的噪聲差異似乎是儀器噪聲，而不是加速度計(jì)軸間噪聲水平的內(nèi)在差異。這種類型的測(cè)試實(shí)際上是低噪聲加速度計(jì)的“Hello World”測(cè)試，因此它為進(jìn)一步的測(cè)試提供了信心。

為了了解熱沖擊對(duì) ADXL355 的影響有多大，我們用熱風(fēng)槍7并將其置于較冷空氣模式(實(shí)際上比室溫高幾度)，以便對(duì)加速度計(jì)施加熱應(yīng)力。還使用 ADXL355 的板載溫度傳感器記錄溫度。實(shí)驗(yàn)使用虎鉗將 ADXL355 垂直放置，以便氣槍可以在封裝頂部吹氣。該實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果是，偏移的溫度系數(shù)將在芯片升溫時(shí)顯示出來(lái)，但任何差異熱應(yīng)力幾乎都會(huì)立即出現(xiàn)。換句話說(shuō)，如果單個(gè)傳感軸對(duì)差異熱應(yīng)力敏感，則預(yù)計(jì)加速度計(jì)輸出會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。在安靜時(shí)從數(shù)據(jù)中刪除平均值，可以輕松同時(shí)比較所有三個(gè)軸。結(jié)果如圖 5 所示。

圖 5. 使用熱風(fēng)槍在低溫環(huán)境下測(cè)量 ADXL355 熱沖擊數(shù)據(jù)。

如圖 5 所示，氣槍將略微溫暖的空氣吹向與環(huán)境密封的陶瓷封裝。這導(dǎo)致 z 軸偏移約 1500 μ g，y 軸偏移量小得多(可能約為 100 μ g)，x 軸幾乎沒(méi)有偏移。雖然許多最終客戶產(chǎn)品的 PCB 頂部都有一些外殼來(lái)分散差異熱應(yīng)力，但重要的是要考慮這些類型的快速瞬態(tài)應(yīng)力，它們可能表現(xiàn)為偏移誤差，如這個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試所示。

圖6顯示了熱風(fēng)槍關(guān)閉時(shí)的反極性效果。

圖 6. ADXL355 熱沖擊，氣槍在 t = 240 秒時(shí)關(guān)閉。

當(dāng)氣槍在加熱環(huán)境下使用時(shí)，即溫度沖擊幅度較大時(shí)，這種影響更加明顯。Weller 氣槍的輸出溫度約為 ~400°C，因此，重要的是要保持一定距離，以防止過(guò)熱或熱沖擊造成損壞。在本次測(cè)試中，熱風(fēng)吹在距離 ADXL355 約 15 厘米處，導(dǎo)致幾乎瞬間的溫度沖擊約為 40°C，如圖 7 所示。

圖 7. 使用熱風(fēng)槍對(duì) ADXL355 進(jìn)行熱沖擊。

盡管熱沖擊的程度相當(dāng)強(qiáng)烈，但在本實(shí)驗(yàn)中，z 軸的響應(yīng)速度比 x 軸和 y 軸快得多，這仍然令人震驚。使用數(shù)據(jù)表中的偏移溫度系數(shù)，溫度變化 40°C，預(yù)計(jì)會(huì)觀察到約 100 μ g /°C × 40 °C = 4 m g的偏移，x 軸和 y 軸最終會(huì)開始顯示這一偏移。然而，注意到幾乎瞬間的 10 m gz 軸的偏移表明這是正在處理的不同影響，而不是由于溫度引起的偏移。這是傳感器上的差異熱應(yīng)力/應(yīng)變的結(jié)果，最明顯地出現(xiàn)在 z 軸上，因?yàn)樵搨鞲衅鲗?duì)差異應(yīng)力比 x 和 y 更敏感，如本文前面所述。

ADXL355 失調(diào)的典型溫度系數(shù)(失調(diào)溫度系數(shù))在數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定為 ±100 μ g /°C。了解此處使用的測(cè)試方法非常重要，因?yàn)槭д{(diào)溫度系數(shù)是使用烤箱中的加速度計(jì)測(cè)量的?？鞠渚徛卦趥鞲衅鞯臏囟确秶鷥?nèi)升溫，并測(cè)量失調(diào)的斜率。圖 8 顯示了典型示例。

圖 8. 基于烤箱的 ADXL355 溫度特性。

此圖中有兩個(gè)影響因素。一個(gè)是數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述和記錄的失調(diào)溫度系數(shù)。這可以解釋為許多部件在 –45°C 至 +120°C 范圍內(nèi)的平均值，因?yàn)闋t溫以 5°C/分鐘的速度升溫，但沒(méi)有任何浸泡時(shí)間。這將從類似于圖 9 的圖中得出，并將在165°C 時(shí)顯示約 18 m g ，或約 109 μ g /°C，略微超出 100 μ g /°C的典型值，但在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的最小和最大范圍內(nèi)。但是，請(qǐng)考慮圖 9 右側(cè)，因?yàn)槠骷^續(xù)在 120°C 下浸泡約 15 分鐘。當(dāng)器件處于高溫下時(shí)，實(shí)際的失調(diào)偏移量會(huì)下降并改善。在這種情況下，平均值接近 10 mg超過(guò) 165°C 或約 60 μ g /°C 偏移溫度系數(shù)。第二個(gè)影響是當(dāng)傳感器檢測(cè)質(zhì)量在整個(gè)硅器件上的溫度穩(wěn)定下來(lái)時(shí)產(chǎn)生的差異熱應(yīng)力，然后應(yīng)力就會(huì)減小。這是圖 6 至圖 8 中所示的氣槍測(cè)試中看到的效果，重要的是要了解這種影響比數(shù)據(jù)表中列出的長(zhǎng)期偏移溫度系數(shù)在更快的時(shí)間尺度上起作用。這對(duì)于許多系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可能是有價(jià)值的，由于它們的整體熱動(dòng)力學(xué)，它們的升溫速度可能比 5°C/min 慢得多。