单电源加速至频率电路

Charles Kitchin, David Quinn, 和 Steve Sherman

单片加速度计的输出可以连接到电压-频率转换器（VFC），该电路的输出是可变频率的，以简单且低成本地产生与加速度成比例的频率。由此产生的高电平交流信号中的信息可以通过具有衰减和非线性响应的嘈杂环境发送，但可以可靠地恢复。对于加速度到数字转换，可以轻松编程微处理器以读取频率并直接计算施加的加速度。

本文建议使用单电源电压的两个电路。其中一款采用精密高线性度VFC，AD654;另一个使用流行的低成本555定时器芯片。

高性能加速频率电路：

图1显示了一个使用VFC的电路，其输出频率直接随施加的加速度而变化。该电路采用+5 V单电源供电。

图1.采用高线性度AD654 VFC的高性能加速频率电路。

ADXL05封装在TO-100密封罐中。在封装标签方向上检测到的加速度（正或负）直接转换为模拟电压。加速度可能与运动有关，也可能涉及涉及g的静态测量，即地球重力的加速度。例如，如果安装ADXL05时，使凸片的方向相对于垂直方向倾斜，则输出将取决于g的在线分量，从而提供倾斜角度的测量值。

片内缓冲放大器可提供缩放和失调;加速度计的输出电压作为AD654VFC的输入，控制AD1引脚654处输出脉冲序列的频率。表1显示了一组缩放选项，用于控制外部电阻和电容的各种标称值的频率对加速度的灵敏度，以及表示零加速度的频率。

表 1.各种零g频率和比例因子的标称电路元件值

零重力 频率 赫兹	比例 因子赫 兹/克	Ct （Rt=2.49kΩ） 微法拉	R3	R2	R1
			标准值
			千欧姆	千欧姆	千欧姆
10	10	10	182	464	14.70
100	10	1	49.90	127	40.20
100	100	1	182	464	14.70
1,000	10	0.10	16.50	42.20	133
1,000	100	0.10	49.90	127	40.20
1,000	1,000	0.10	182	464	14.70
10,000	10	0.01	16.90	43.20	1,370
10,000	100	0.01	16.90	43.20	137
10,000	1,000	0.01	49.90	127	40.20
100,000	10	0.001	0.169	0.43	137
100,000	100	0.001	1.69	4.32	137
100,000	1,000	0.001	16.90	43.20	137

ADXL05（引脚8处的电压输出）的标称灵敏度为±200 mV/g，1.8 V表示0 g。片内缓冲放大器（引脚9输出）将输出失调增加到+2.5 V（使用+5 V电源时提供最大对称输出电压摆幅），并对信号进行放大和缓冲。C5和R3提供低通滤波，以提高低电平分辨率（但限制频率响应）。增益和失调计算基于加速度计和VFC参数的标称值;实际性能受器件容差的影响可能很大。为了提高零g偏移和比例因子的精度，可以使用微调电位计电路来预测1%容差固定电阻的电阻值。

标称设计公式： AD654的输出是一个脉冲序列，其频率与输入电压的关系如下：

因此，对于ADXL0的2.5 V05 g输出，对应于零加速度的频率为

比例因子或关系斜率（以 Hz/g 表示）是加速度计灵敏度 （200 mV/g）、缓冲放大器增益和 VFC 关系的乘积，或

图 2 是 1kHz 零加速频率和 100 Hz/g 比例因子的频率和加速度之间的标称关系图。

图2.VFC输出频率与ADXL05芯片加速度之间的关系。

加速度计可以使用地球引力进行自我校准。当加速度计的卡舌水平时，加速度计将测量 0 g，允许调整 0-g 偏移。当加速度计的卡舌笔直朝下时，引脚9处的输出电压将对应于+1 g。如果将加速度计旋转以使选项卡指向笔直向上，则其输出将测量 -1 g。然后，读数的差异（2 g）可用于设置加速度到频率的整体比例因子，使用可调Rt，即用一个固定的1%电阻代替，该电阻器与经验确定的微调值串联。

0 g频率可通过50 kW微调电位器进行调整，该电位器连接在ADXL05的引脚6（+3.4 V基准电压源）和地之间。电位器的游标通过R10（更改为2 kW）连接到缓冲放大器的求和结引脚100。如有必要，应迭代0-g和满量程频率调整，以获得最准确的设置。可调分压器可以用固定电阻代替，用于可能影响电位器设置的动态测量。

使用 555 定时器以极低的成本加速到频率：图3显示了如何将ADXL05加速度计连接到低成本CMOS 555定时器以提供频率输出。所示的组件值是为 ±1-g 倾斜仪应用选择的。

加速度计的标称 200mV/g 输出出现在引脚 8 处，由板载缓冲放大器放大 2 倍至 400mV/g 电平。引脚0处的9 g偏置电平约为1.8 V，电容C4和电阻R3构成16 Hz低通滤波器，以降低噪声并提高测量分辨率。

CMOS 555 用作压控振荡器，其中 R5、R6 和 C5 设置标称工作频率。选择电阻R5和R6可提供约50%的占空比，将+1.8V （0 g）输入信号施加到5的引脚555。为了尽量减少因电源变化而导致的频率变化，555 采用加速度计的 +3.4 V 基准电压源按比例工作，而不是直接采用 +5 V 电源供电。

该电路的输出频率由R5、R6和C5设置的充电和放电时间决定。

使用图3所示的电路和元件值，加速度计引脚9的标称输出比例因子为±400 mV/g，因此电压输出为+1.8 V±0.4 V。3 引脚 555 处的输出比例因子约为 16，500 Hz±每克 2，600 Hz。

发现该电路的频率稳定性非常好。使用图3所示电路，频率为15.5 kHz 0 g，在0至+0°C商用温度范围内测得的70 g频率漂移为5 Hz/°C，即0.03%/°C。 频率与电源电压的变化小于 10 Hz，电源电压范围为 +5.0 至 +9.0 V。

图3.低成本加速频率电路，使用流行且广泛使用的555定时器。

审核编辑：郭婷