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作者:甘凱文、楊哲彰(2005-10-18);推薦:徐業良(2005-10-18)

Kionix KXM52-1050三軸加速規簡介與使用

Kionix KXM52-1050系列三軸加速規(圖1)外觀為5×5×1.8mmDFN(Dual Flat No-lead)封裝,其工作原理為當加速規本體產生移動或轉動時,使內部CMOS微結構產生位移,造成電容值的變化,再轉換為特定的輸出電壓為訊號。圖2Kionix KXM52內部系統方塊圖,內部線路採用共模斥噪(common mode cancellation)設計架構,可降低因外部環境造成的誤差,提高S/N比以及輸出的穩定度。本文介紹其基本應用電路及輸出響應。

1. Kionix KXM52系列三軸加速規

2. Kionix KXM52內部系統方塊圖

1.     基本應用電路

3KXM52-1050典型的應用電路設計,所需電源(Vdd)可在2.7(2.5)V5.5V之間,一般採用3.3VC1為電源端的濾波電容,用來降低電源雜訊,其電容值建議採用0.1mF,必要時可外加亞鐵鹽(ferrite)/墊片(EMI core/bead)或於主電源電路串接小阻值的電阻以抑制雜訊;C1C2C3分別為XY軸與Z軸輸出端的低通濾波電容,其電容值與感測器內部的等效電阻(32KW)構成RC電路,因此不同的電容值會決定其輸出頻寬之大小(即決定-3dB點),式(1)為計算公式

                                                          (1)

其中XY軸的頻寬可在DC3000HzZ軸則為DC1500Hz,頻寬的決定視實際使用需求而定,輸出頻寬決定取樣速度,在快速的運動狀態改變時需要較高的頻寬,但頻寬越高,訊號輸出的雜訊越明顯;反之,頻寬越低,取樣速度越慢,僅適用於緩慢變化的情況,但輸出訊號雜訊較低。以典型的配置為例,採用0.1mF(104)電容,頻寬為

3PS(power shutdown)腳位為感測器的開關,當空接或接地時,感測器為待機狀態,因此僅消耗極小電源,若將PS接上Vdd電源,則感測器進入正常工作狀態;ST(Self Test)腳位可進行內部測試,可將0.25Vdd0.5VddVdd等電壓輸入ST腳位以檢測訊號輸出是否正常,一般情況下可空接,若不使用ST功能則需將此腳位接地。4為三軸加速規PCB Layout及成品圖。

3. 三軸加速規典型應用電路

       

4. 三軸加速規PCB Layout及成品圖

 

 

 

2.     輸出響應

KXM52可感測如圖5所示XYZ三軸個別的加速度或位移變化,並個別輸出特定電壓訊號,圖6與圖7說明XYZ軸加速度方向與輸出電壓之關係。若沒有加速度變化,則輸出電壓(Voff)為電源電壓(Vdd)的一半 ,若有加速度存在時,且加速度為正方向(即該軸的正方向),則 ,反之若加速度為負方向,則 。圖7說明重力對於感測器產生的效應,例如當感測器為水平放置,且不存在任何加速度變化時,VoutXVoutYVoutZ電壓輸出均無變化,但此時Z軸方向卻受到負方向1g的加速度(重力),因此其效應相當於Z方向存在一個正方向1g的加速度,因此VoutXVoutY相同,但VoutZ不同,圖7中所示的其他情況可依此類推。

5. KXM52-1050加速度座標示意圖

Voff會隨著溫度而改變,因此不恆等於Vdd的一半。Voff-4085之間呈現±100mV的偏移線性變化,而在-40125下最大偏移為165mV

6. 對於加速度方向的輸出響應

7. 對於重力方向(放置方位)的輸出響應

KXM52-1050的感測範圍為,對於位移而言,輸出訊號呈現660mV/g的線性關係,因此輸出訊號電壓與加速度之關係可用式2表示:

                                                                               (2)

XYZ軸感測的電壓變化可以得之KXM52-1050本體的傾斜角度,如圖8所示,以分別代表X軸、Y軸與Z軸的傾斜角度,加速度與傾斜角度之關係可由式3描述,實際量測結果列於表1,圖9顯示各軸傾斜角度與電壓輸出的曲線。

       

       

                                                                                            (3)

8. 傾斜角度示意圖

 

 

 

 

 

 

 

1. XYZ軸輸出訊號

角度

Xaccel(g)

X(V)

Yaccel(g)

Y(V)

Zaccel(g)

Z(V)

90

1.00

2.24

1.00

2.28

0

1.6

80

0.985

2.24

0.985

2.24

0.174

1.72

70

0.940

2.24

0.940

2.24

0.342

1.8

60

0.866

2.2

0.866

2.2

0.500

1.92

50

0.766

2.12

0.766

2.08

0.643

1.96

45

0.707

2.12

0.707

2.08

0.707

2.04

40

0.643

2.04

0.643

2.00

0.766

2.04

30

0.500

1.96

0.500

1.88

0.866

2.16

20

0.342

1.84

0.342

1.8

0.940

2.16

10

0.174

1.76

0.174

1.68

0.985

2.24

0

0

1.64

0

1.6

1.00

2.24

Voff

 

1.64

 

1.6

 

2.24

9. 傾斜角度 vs. 輸出電壓曲線

附錄 Kionox KXM52-1050規格

Performance Specifications

Parameters

Units

 

Condition

Range

g

±2.0

 

Sensitivity

mV/g

660

 

0g offset vs. temp

mV

±100

Over temp range

°C

-40 to 85

Span

mV

±1320

@3.3V

Noise

35(x and y) 65(z) typical

@500Hz

Bandwidth

 

Hz

0 to 3000 max (x and y)

-3dB

0 to 1500 max (z)

Output resistance

W

32k typical

 

Non-linearity

% of FS

±0.1 typical (±0.5 max)

 

Ratiometric error

%

±1.0 typical (±1.5 max)

 

Cross-axis sensitivity

%

±2.0 typical (±3.0 max)

 

Power supply

V

3.3

 

V

-0.3 (min) 7.0 (max)

Absolute min/max

mA

1.5 typical (1.8 max)

Current draw @ 3.3V

mA

<1.0

Shutdown pin connected to GND

ms

1.6

Power-up time @ 500Hz

Environmental Specifications

Parameters

Units

KXM52

Condition

Operating Temp

°C

-40 to 125

Powered

Storage temp

°C

-55 to 150

Unpowered

Mechanical shock

g

4600

Powered or unpowered,

ESD

V

3000

Human body model