圖1所示電路是一款高線性度、低噪聲、寬帶寬振動檢測解決方案。該方案適用于要求具有寬動態(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)控以及振動檢測的低功耗解決方案。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。
圖1. 單軸振動分析系統(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,標(biāo)稱輸出靈敏度為16 mV/g。采用5 V電源時,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)部時鐘頻率上不存在噪聲,ADXL001就只需要一個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單元。圖2顯示其中一個差分傳感器單元模塊的簡化圖。每個傳感器模塊均集成數(shù)個差分電容單元。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板組成。傳感器框架移位將改變差分電容。片內(nèi)電路測量電容變化,并將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓。
圖2. 傳感器加速時的簡化試圖
SOI器件層的傳感器經(jīng)過微加工處理。溝道隔離用于對差分檢測元件進(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軸加速度和振動檢測器件,向引腳8標(biāo)記處振動時,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,整個電路與電源成比例,因?yàn)橥粋€VDD 還用來驅(qū)動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)信號頻率超過2 kHz至3 kHz左右時,加速度計(jì)中的增益會增加。波束為諧振頻率時(22 kHz),器件的輸出電壓大致存在7 dB (×2.24)峰化。該峰化對加速度計(jì)的輸出電壓具有極大的影響。
圖4. ADXL001頻率響應(yīng)
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,可測量的最大g值將取決于振動頻率。必須允許±0.5 V的額外裕量,因?yàn)? g失調(diào)電壓會有所變化。振動頻率低于2 kHz左右時,0 g失調(diào)振動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)手冊的規(guī)格表中找到。通過創(chuàng)建22 kHz時峰值約為?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測量更為簡單。圖5顯示濾波器、加速度計(jì)和整個信號鏈的頻率響應(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)
陷波濾波器中的示例電路,并對其進(jìn)行了修改。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。
信號發(fā)生器將該電壓驅(qū)動至濾波器。使用示波器測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。針對加速度計(jì)頻率響應(yīng)中的峰化,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓非常重要。對于10 kHz頻率,信號發(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)中陷波的微小對準(zhǔn)誤差,在造成滾降前,可在通帶中即時發(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評估軟件顯示 AD7476 ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并對數(shù)據(jù)繪圖的屏幕截圖。采樣速率為1 MSPS。
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,請參見 MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息,請參見 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相隔離(由機(jī)械應(yīng)力造成),同時允許用戶將ADXL001直接放置在振動源。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)。時鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號通過數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。
圖7. EVAL-CN0303-SDPZ照片
將CN0303評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動器,加載評估軟件。打開我的電腦,找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器,打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。
功能框圖
圖8顯示測試設(shè)置的功能框圖。信號發(fā)生器用于仿真 ADXL001輸出。EVAL-ADXL001-70Z板的5引腳連接頭(P1) 可通過扁平電纜連接EVAL-CN0303-SDPZ板的5引腳連接頭 (J6),測量實(shí)際振動。
圖8. 測試設(shè)置功能框圖
設(shè)置
將EVAL-CN0303-SDPZ電路板上的120引腳連接器(J1)連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上的連接器。應(yīng)使用尼龍五金配件,通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將EVAL-ADXL001-70Z評估板上的5引腳連接頭(P1)通過扁平電纜連接至EVAL-CN0303-SDPZ電路板上的5引腳連接頭(J6)將+6.0 V電源連接至EVAL-CN0303-SDPZ板上的J5連接器。 SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。
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