帶頻率響應(yīng)補(bǔ)償?shù)腗EMS振動(dòng)分析儀電路圖 - 全文

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一款高線性度、低噪聲、寬帶寬振動(dòng)檢測(cè)解決方案。該方案適用于要求具有寬動(dòng)態(tài)范圍（±70 g、±250 g 或±500 g）以及平坦頻率響應(yīng)（從直流到22 kHz）的應(yīng)用。

　　該電路提供適合進(jìn)行軸承分析、引擎監(jiān)控以及振動(dòng)檢測(cè)的低功耗解決方案。

　　享有ADI專利的第五代iMEMs?工藝讓 ADXL001加速度計(jì)擁有從±70 g擴(kuò)展至±500 g的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，且?guī)挒?2 kHz。

　　AD8606是一款精密、低噪聲、雙通道運(yùn)算放大器，用于創(chuàng)建模擬雙二階濾波器，可使加速度計(jì)的輸出頻率響應(yīng)較為平和。

　　ADXL001輸出電壓經(jīng)低功耗、單通道12位SAR ADC AD7476 轉(zhuǎn)換為數(shù)字字。

　　圖1. 單軸振動(dòng)分析系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

　　電路描述

　　加速度計(jì)輸出特性

　　ADXL001經(jīng)測(cè)試的額定電源電壓為3.3 V和5 V。雖然該器件可采用3 V至6 V范圍內(nèi)的任意電源電壓工作，但采用5 V電源可獲得最優(yōu)整體性能。

　　輸出電壓靈敏度與電源電壓成比例。采用3.3 V電源時(shí)，標(biāo)稱輸出靈敏度為16 mV/g。采用5 V電源時(shí)，靈敏度為24.2 mV/g。

　　0 g輸出電平亦為比例電平，標(biāo)稱值為 VDD/2。

　　只要1 MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率上不存在噪聲，ADXL001就只需要一個(gè)0.1μF去耦電容。如果需要，可以包含較大的大容量電容（1μF至10μF）或氧化鐵磁珠

　　加速度計(jì)物理操作

　　ADXL001采用絕緣硅片（SOI） MEMS技術(shù)制造，具有機(jī)械耦合但電氣隔離的差分檢測(cè)單元。圖2顯示其中一個(gè)差分傳感器單元模塊的簡(jiǎn)化圖。每個(gè)傳感器模塊均集成數(shù)個(gè)差分電容單元。每一單元都以器件層上的固定板以及傳感器框架上的活動(dòng)板組成。傳感器框架移位將改變差分電容。片內(nèi)電路測(cè)量電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓。

　　圖2. 傳感器加速時(shí)的簡(jiǎn)化試圖

　　SOI器件層的傳感器經(jīng)過微加工處理。溝道隔離用于對(duì)差分檢測(cè)元件進(jìn)行電氣隔離但機(jī)械耦合處理。單晶硅彈簧懸掛于晶圓處理結(jié)構(gòu)之上，提供加速度的力量阻力。

　　ADXL001 是一款x軸加速度和振動(dòng)檢測(cè)器件，向引腳8標(biāo)記處振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生趨正輸出電壓，如圖3所示。

　　圖3. ADXL001 XOUT 電壓隨正X軸方向的加速度增加而增加

　　與ADC接口

　　如需數(shù)字化加速度信息，加速度計(jì)輸出電壓范圍必須位于ADC 輸入電壓范圍內(nèi)。AD7476輸入電壓范圍為0 V至VDD （5 V）。 ADXL001輸出電壓范圍為0.2 V至VS ? 0.2 V （4.8 V）。任何加速度計(jì)測(cè)得的加速度將根據(jù)該信息進(jìn)行數(shù)字化，無需額外的放大器或緩沖器。

　　由于AD7476的 VDD 電源用作ADC基準(zhǔn)電壓源，因此無需使用外部基準(zhǔn)電壓源。此外，整個(gè)電路與電源成比例，因?yàn)橥粋€(gè)VDD 還用來驅(qū)動(dòng)ADXL001。

　　頻率響應(yīng)

　　加速度計(jì)的頻率響應(yīng)是系統(tǒng)中最重要的特性，顯示在圖4 中。當(dāng)信號(hào)頻率超過2 kHz至3 kHz左右時(shí)，加速度計(jì)中的增益會(huì)增加。波束為諧振頻率時(shí)（22 kHz），器件的輸出電壓大致存在7 dB （×2.24）峰化。該峰化對(duì)加速度計(jì)的輸出電壓具有極大的影響。

　　圖4. ADXL001頻率響應(yīng)

　　10 kHz時(shí)，考慮使用20 g加速度。假定0 g輸出電壓為2.5 V，且靈敏度為24.2 mV/g，則預(yù)計(jì)輸出電壓為：

　　2.5 V + （0.0242 × 20） = 2.984 V

　　但是，該電壓會(huì)伴隨約2 dB的峰化而增加，使實(shí)際輸出電壓為：

　　2 dB = 20 log10 （VOUT /2.984 V）

　　VOUT = 3.757 V

　　預(yù)計(jì)輸出電壓和實(shí)際輸出電壓之差會(huì)產(chǎn)生巨大誤差：

　　誤差 = 3.757 V – 2.984 V = 0.773 V

　　校正此誤差以保證精度很重要，并且專門設(shè)計(jì)了模擬雙二階濾波器對(duì)該誤差進(jìn)行校正。實(shí)現(xiàn)該濾波器的詳情在下文 “濾波器設(shè)計(jì)”部分予以討論。

　　加速度計(jì)范圍縮小

　　必須注意，隨著加速度計(jì)的頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰化，器件的可用加速度范圍隨之縮小。20 kHz時(shí)，考慮使用70 g加速度。預(yù)計(jì)輸出電壓為：

　　2.5 V + （24.2mV/g × 70 g） = 4.194 V

　　具有~7dB峰化效應(yīng)：

　　7 dB = 20 log10 （VUT /4.194V）

　　VOUT = 9.389 V

　　由于ADXL001供電軌為5 V，輸出將限制為大約+0.2 V和+4.8 V。因此，可測(cè)量的最大g值將取決于振動(dòng)頻率。

　　必須允許±0.5 V的額外裕量，因?yàn)? g失調(diào)電壓會(huì)有所變化。振動(dòng)頻率低于2 kHz左右時(shí)，0 g失調(diào)振動(dòng)將最大可用輸出電壓范圍限制為±1.8 V，即相當(dāng)于大約±70 g。

　　隨著振動(dòng)頻率從大約2 kHz增加至22 kHz，輸出達(dá)到飽和之前允許的最大g值以7 dB （×2.24）步進(jìn)逐步下降至±31 g。只要最大g值低于±31 g，在22 kHz范圍內(nèi)濾波器便具有平坦的頻率響應(yīng)，而無飽和或信息丟失。

　　濾波器設(shè)計(jì)

　　為了補(bǔ)償加速度計(jì)頻率響應(yīng)的增益峰化，使用了一個(gè)模擬雙四通道陷波濾波器。品質(zhì)因數(shù)（Q = 2.5）以及波束的諧振頻率（22 kHz）均可在ADXL001數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格表中找到。

　　通過創(chuàng)建22 kHz時(shí)峰值約為?7 dB的陷波濾波器，加速度計(jì)的頻率響應(yīng)可變得較為平坦，使得更高頻率下的振動(dòng)測(cè)量更為簡(jiǎn)單。圖5顯示濾波器、加速度計(jì)和整個(gè)信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)。使用正弦波作為 EVAL-CN0303-SDPZ板的輸入，仿真加速度計(jì)輸出，并獲取數(shù)據(jù)。

　　圖5. ADXL001 頻率響應(yīng)、濾波器頻率響應(yīng)和系統(tǒng)頻率響應(yīng)

　　陷波濾波器的設(shè)計(jì)參考《無源和有源網(wǎng)絡(luò)分析與頻率合成》中的示例電路，并對(duì)其進(jìn)行了修改。該書作者為Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13：該補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為前文得出的傳遞函數(shù)之反函數(shù)。 Multisim? 電路設(shè)計(jì)套件 用于仿真并驗(yàn)證陷波濾波器的傳遞函數(shù)。濾波器參數(shù)指定為Q = 2.5，中心頻率 = 22 kHz，陷波深度 = 7 dB。

　　測(cè)試結(jié)果

　　執(zhí)行兩個(gè)基本測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。首先，使用信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)恒定幅度的可變頻率正弦波，輸入濾波器。假定模擬濾波器的頻率響應(yīng)如圖5所示，測(cè)量輸入和輸出電壓，繪出20log10（VOUT/VIN） 圖形。

　　其次，驗(yàn)證整個(gè)信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)，確保設(shè)計(jì)的性能。為了更加精確地驗(yàn)證系統(tǒng)頻率響應(yīng)，使用信號(hào)發(fā)生器仿真 ADXL001的輸出。

　　出于測(cè)試目的，仿真5 g加速度信號(hào)，并在50 kHz頻率范圍內(nèi)將其驅(qū)動(dòng)至濾波器。若ADXL001在敏感軸上承受±5 g正弦加速度，則將會(huì)輸出相應(yīng)的交流電壓：

　　±5 g × 0.0242V/g = ±0.121 V

　　該電壓于0 g輸出條件下置中，即2.5 V。

　　信號(hào)發(fā)生器將該電壓驅(qū)動(dòng)至濾波器。使用示波器測(cè)量濾波器的峰值輸出電壓。該電壓將轉(zhuǎn)換為g值（g除以靈敏度），并與初始輸入加速度進(jìn)行比較。繪出 20log10 （VOUT/VIN） 圖形，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng)圖。

　　針對(duì)加速度計(jì)頻率響應(yīng)中的峰化，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓非常重要。對(duì)于10 kHz頻率，信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓必須增加約1.8 dB，以便精確表示加速度計(jì)在5 g加速度情況下的輸出電壓。

　　圖5顯示移除加速度計(jì)頻率響應(yīng)中較大峰值后的結(jié)果。?3 dB 帶寬約為23 kHz。由于加速度計(jì)頻率響應(yīng)的峰值與濾波器響應(yīng)中陷波的微小對(duì)準(zhǔn)誤差，在造成滾降前，可在通帶中即時(shí)發(fā)現(xiàn)少量紋波。

　　采用Wavetek的81系列脈沖/函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生2 kHz正弦波，并直接與濾波器輸入相連。圖6為CN0303評(píng)估軟件顯示 AD7476 ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并對(duì)數(shù)據(jù)繪圖的屏幕截圖。采樣速率為1 MSPS。

　　圖6. CN0303評(píng)估軟件以1 MSPS采樣速率數(shù)字化2 kHz正弦波的屏幕截圖

　　PCB布局考慮

　　在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。本系統(tǒng)的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論述，請(qǐng)參見 MT-031指南；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見 MT-101 指南。

　　EVAL-ADXL001-70Z板通過柔性扁平電纜連接 EVAL-CN0303-SDPZ電路板。這樣可讓用戶將EVAL-CN0303-SDPZ 與可能導(dǎo)致電路板損壞的任何振動(dòng)相隔離（由機(jī)械應(yīng)力造成），同時(shí)允許用戶將ADXL001直接放置在振動(dòng)源。

　　ADXL001的電源采用0.1μF電容去耦，以便有效抑制噪聲，減少紋波。電容應(yīng)盡可能靠近該器件放置。

　　電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。時(shí)鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。

　　有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包， 請(qǐng)參閱 www.analog.com/CN0303-DesignSupport。

　　圖7. EVAL-CN0303-SDPZ照片

　　常見變化

　　如需獲得更為復(fù)雜的振動(dòng)檢測(cè)解決方案，可使用雙軸 （ ADXL2xx系列） 或三軸（ ADXL3xx系列） 加速度計(jì)代替 ADXL001。通過在第二或第三個(gè)空間維度測(cè)量加速度，用戶可編寫自定義軟件，實(shí)現(xiàn)更為精確復(fù)雜的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。