过采样原理在ADXL345上的实现、配置步骤、数据处理及噪声考虑因素,以提高其输出分辨率

描述

介绍了过采样技术在 ADXL345 三轴加速度计中的应用,包括过采样原理在 ADXL345 上的实现、配置步骤、数据处理及噪声考虑因素,以提高其输出分辨率,适用于对分辨率有更高要求的应用场景。
*附件:如何利用先进先出(FIFO)缓冲器提高ADXL345的分辨率.pdf

  1. 过采样技术原理
    • 模数转换基础 :数字输出加速度计(如 ADXL345)有内部 ADC,分辨率固定。过采样技术以更高速率采样模拟信号,结合数字滤波和抽取提高分辨率,原理是将总量化噪声分散到更高带宽,再滤波减少噪声,从而在保持信噪比前提下提高分辨率。
    • 过采样系数与分辨率关系 :过采样系数决定输出数据速率比所需速率高多少,如系数为 4 可提高 1 LSB 分辨率,系数为 16 可提高 2 LSB 分辨率,同时信噪比也会相应提高。
  2. ADXL345 中的过采样实现
    • 器件特性 :ADXL345 是三轴加速度计,含 13 位 ADC 和 32 级 FIFO(每轴),可配置输出数据速率,中断系统灵活,适合过采样。
    • 输出数据速率设置 :先根据分辨率提升需求确定过采样系数(提高 1 LSB 选 4,提高 2 LSB 选 16),再依应用所需数据速率设置传感器输出数据速率,如所需数据速率 12.5 Hz、分辨率提高 1 LSB 时,ADXL345 数据速率可设为 50 Hz,在 BW_RATE 寄存器设置。
    • FIFO 设置 :FIFO 存储数据量达到过采样系数值时产生水印(WM)中断,可在 FIFO 模式或流模式下使用。通过 FIFO_CTL 寄存器设置产生 WM 中断所需数据量,INT_ENABLE 寄存器使能 WM 中断,INT_MAP 寄存器分配 WM 中断到 INT1 或 INT2 引脚,详细信息参考相关手册。
  3. 数据处理与实例
    • 数据读取与格式 :通过访问数据寄存器(每轴两字节)读取 ADXL345 数据,有特定数据格式(如 ±2g 模式下右对齐数据格式),数据为二进制补码形式。
    • 微处理器处理流程 :按所需数据速率配置 ADXL345 产生 WM 中断,处理器读取对应过采样系数的数据,经数字滤波和抽取(如求平均值)得到所需分辨率数据,过采样系数为 4 时数据相加除以 2,为 16 时除以 4。
    • 实例说明 :以输出数据速率 200 Hz、过采样系数 4 为例,16 组数据存储在 FIFO 产生 WM 中断,展示数据处理过程,如四个数据相加除以 2 后分辨率提高 1 LSB,但要注意数据为二进制补码,除法运算可能影响结果。
  4. 噪声考虑因素 :过采样仅改善 ADC 量化误差,ADXL345 噪声为白噪声,输出噪声可根据噪声密度、数字滤波器性能计算,给出移动平均数滤波器(16 倍过采样提高 2 LSB、输出数据速率 100 Hz)的增益响应图辅助理解。
    三轴加速度计
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