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)集以建立基準性能，并驗證后續(xù)數(shù)據(jù)分析中預(yù)期的噪聲水平。
雖然加速度計的模擬輸出可以連接到任何模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，但制造商通常會提供經(jīng)過優(yōu)化的評估板，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)進行原型設(shè)計。為了便于本文說明，我們使用了小型評估板 EVAL-ADXL35x。為了進行數(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)境進行編程。Mbed 是一個開源且免費的 ARM 微控制器板開發(fā)環(huán)境。它有一個在線編譯器，可讓開發(fā)人員快速上手。SDP-K1 板連接到 PC 時，會顯示為外部驅(qū)動器。要對板進行編程，只需將編譯器生成的二進制文件拖放到 SDP-K1 驅(qū)動器中即可。3、4
一旦 Mbed 系統(tǒng)通過 UART 記錄數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在就有了一個基本的測試環(huán)境，可以嘗試加速度計實驗并將輸出流式傳輸?shù)胶唵蔚慕K端進行數(shù)據(jù)記錄和進一步分析。重要的是要注意，無論加速度計的輸出數(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)集有助于確定基準性能，并驗證在我們大多數(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可以在工作臺設(shè)置中實現(xiàn)相當穩(wěn)定的工作表面，因為它可以吸附在玻璃工作表面上。在這種配置下，ADXL355 板(從側(cè)面握住)與實驗室臺面一樣穩(wěn)定。更高級的高級用戶可能會注意到，這種虎鉗支架存在一些傾倒運動的風(fēng)險，但這是一種簡單且經(jīng)濟高效的方法，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)進行首次分析。
圖 2. 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 支架的測試設(shè)置。
圖 2. 沒有低通濾波器的 ADXL355 數(shù)據(jù)(寄存器 0x28=0x00)，拍攝時間超過 1 分鐘。(來源：Analog Devices)
取 120 個數(shù)據(jù)點并測量標準偏差，結(jié)果顯示噪聲范圍為 800 μ g至 1.1 m g。從數(shù)據(jù)手冊中 ADXL355 的典型性能規(guī)格來看，噪聲密度為 25 μ g /√Hz。使用默認低通濾波器 (LPF) 設(shè)置時，加速度計的帶寬約為 1000 Hz。因此，噪聲預(yù)計為 25 μ g /√Hz × √1000 Hz = 791 μ g均方根，假設(shè)是磚墻式濾波器。第一個數(shù)據(jù)集通過了第一次嗅探測試。準確地說，從噪聲頻譜密度到均方根噪聲的轉(zhuǎn)換應(yīng)該有一個因子來表示數(shù)字 LPF 沒有無限滾降(即磚墻式濾波器)。有些人對簡單的 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。
對于許多精密傳感應(yīng)用，1000 Hz 的帶寬對于被測信號來說太寬了。為了幫助優(yōu)化帶寬和噪聲之間的權(quán)衡空間，ADXL355 有一個板載數(shù)字低通濾波器。對于下一個測試，我們將 LPF 設(shè)置為 4 Hz，這應(yīng)該會使噪聲凈減少 √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)，采集時間超過 1 分鐘。(來源：Analog Devices)
表 1. ADXL355 的預(yù)期噪聲和測量噪聲(來源：Analog Devices)
噪音X是是
理論值
(μg)測量值
(μg)理論值
(μg)測量值
(μg)理論值
(μg)測量值
(μg)
沒有過濾器7919237911139791805
4 Hz 濾波器5058501855063
表 1 顯示，當前設(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驗室設(shè)備風(fēng)扇振動可能在 y 軸上表現(xiàn)為噪聲。為了測試這一點，旋轉(zhuǎn)虎鉗以將 x 軸置于 y 軸進行此測試的位置，并且噪聲較高的軸確實移動到了 x 軸。軸之間的噪聲差異似乎是儀器噪聲，而不是加速度計軸間噪聲水平的內(nèi)在差異。這種類型的測試實際上是低噪聲加速度計的“Hello World”測試，因此它為進一步的測試提供了信心。
為了了解熱沖擊對 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(實際上比室溫高幾度)，以便對加速度計施加熱應(yīng)力。還使用 ADXL355 的板載溫度傳感器記錄溫度。實驗使用虎鉗將 ADXL355 垂直放置，以便氣槍可以在封裝頂部吹氣。該實驗的預(yù)期結(jié)果是，偏移的溫度系數(shù)將在芯片升溫時顯示出來，但任何差異熱應(yīng)力幾乎都會立即出現(xiàn)。換句話說，如果單個傳感軸對差異熱應(yīng)力敏感，則預(yù)計加速度計輸出會出現(xiàn)波動。在安靜時從數(shù)據(jù)中刪除平均值，可以輕松同時比較所有三個軸。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，如這個簡單測試所示。
圖6顯示了熱風(fēng)槍關(guān)閉時的反極性效果。
圖 6. ADXL355 熱沖擊，氣槍在 t = 240 秒時關(guān)閉。
當氣槍在加熱環(huán)境下使用時，即溫度沖擊幅度較大時，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，以防止過熱或熱沖擊造成損壞。在本次測試中，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 ADXL355 進行熱沖擊。
盡管熱沖擊的程度相當強烈，但在本實驗中，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)計會觀察到約 100 μ g /°C × 40 °C = 4 m g的偏移，x 軸和 y 軸最終會開始顯示這一偏移。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，因為該傳感器對差異應(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)手冊中規(guī)定為 ±100 μ g /°C。了解此處使用的測試方法非常重要，因為失調(diào)溫度系數(shù)是使用烤箱中的加速度計測量的?？鞠渚徛卦趥鞲衅鞯臏囟确秶鷥?nèi)升溫，并測量失調(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。
此圖中有兩個影響因素。一個是數(shù)據(jù)手冊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，因為爐溫以 5°C/分鐘的速度升溫，但沒有任何浸泡時間。這將從類似于圖 9 的圖中得出，并將在165°C 時顯示約 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)手冊中指定的最小和最大范圍內(nèi)。但是，請考慮圖 9 右側(cè)，因為器件繼續(xù)在 120°C 下浸泡約 15 分鐘。當器件處于高溫下時，實際的失調(diào)偏移量會下降并改善。在這種情況下，平均值接近 10 mg超過 165°C 或約 60 μ g /°C 偏移溫度系數(shù)。第二個影響是當傳感器檢測質(zhì)量在整個硅器件上的溫度穩(wěn)定下來時產(chǎn)生的差異熱應(yīng)力，然后應(yīng)力就會減小。這是圖 6 至圖 8 中所示的氣槍測試中看到的效果，重要的是要了解這種影響比數(shù)據(jù)表中列出的長期偏移溫度系數(shù)在更快的時間尺度上起作用。這對于許多系統(tǒng)來說可能是有價值的，由于它們的整體熱動力學(xué)，它們的升溫速度可能比 5°C/min 慢得多。
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