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優勢和特性 ● 高g、基于MEMS的振動分析儀 ● 平坦的響應：22kHz ● 70g、250g和500g范圍 連接/參考器件 ADXL001：高精度、±70g、±250g、±500g單軸加速度計 AD8606：精密、低噪聲、CMOS、軌到軌輸入/輸出、雙封裝運算放大器 AD7476：2.35V至5.25V、低功耗、單通道、1MSPS、12位ADC 評估和設計支持 電路評估板 CN-0303電路評估板(EVAL-CN303-SDPZ) 包含ADXL001評估板(EVAL-ADXL001-70Z)和用于連接的扁平電纜 系統演示平臺(EVAL-SDP-CS1Z) 設計和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優勢 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范圍（±70g、±250g或±500g）以及平坦頻率響應（從直流到22kHz）的應用。 該電路提供適合進行軸承分析、引擎監控以及振動檢測的低功耗解決方案。 享有ADI專利的第五代iMEMs工藝讓ADXL001加速度計擁有從±70g擴展至±500g的擴展動態范圍，且帶寬為22kHz。 AD8606是一款精密、低噪聲、雙通道運算放大器，用于創建模擬雙四通道濾波器，可使加速度計的輸出頻率響應較為平和。 ADXL001輸出電壓經低功耗、單通道12位SAR ADC AD7476轉換為數字值。 圖1.單軸振動分析系統（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） 電路描述 加速度計輸出特性 ADXL001經測試的額定電源電壓為3.3V和5V。雖然該器件可采用3V至6V范圍內的任意電源電壓工作，但采用5V電源可獲得最優整體性能。 輸出電壓靈敏度與電源電壓成比例。采用3.3V電源時，標稱輸出靈敏度為16mV/g。采用5V電源時，靈敏度為24.2mV/g。 0g輸出電平亦為比例電平，標稱值為VDD/2。 只要1MHz內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。 加速度計物理操作 ADXL001采用絕緣硅片(SOI)MEMS技術制造，具有機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。片內電路測量電容變化，并將其轉換為輸出電壓。 圖2.傳感器加速時的簡化試圖 SOI器件層的傳感器經過微加工處理。溝道隔離用于對差分檢測元件進行電氣隔離但機械耦合處理。單晶硅彈簧懸掛于晶圓處理結構之上，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標記處振動時，產生趨正輸出電壓，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 如需數字化加速度信息，加速度計輸出電壓范圍必須位于ADC輸入電壓范圍內。AD7476輸入電壓范圍為0V至VDD(5V)。ADXL001輸出電壓范圍為0.2V至VS-0.2V(4.8V)。任何加速度計測得的加速度將根據該信息進行數字化，無需額外的放大器或緩沖器。 由于AD7476的VDD電源用作ADC基準電壓源，因此無需使用外部基準電壓源。此外，整個電路與電源成比例，因為同一個VDD還用來驅動ADXL001。 頻率響應 加速度計的頻率響應是系統中最重要的特性，顯示在圖4中。當信號頻率超過2kHz至3kHz左右時，加速度計中的增益會增加。波束為諧振頻率時(22kHz)，器件的輸出電壓大致存在7dB(×2.24)峰化。該峰化對加速度計的輸出電壓具有極大的影響。 圖4.ADXL001頻率響應 10kHz時，考慮使用20g加速度。假定0g輸出電壓為2.5V，且靈敏度為24.2mV/g，則預計輸出電壓為： 2.5V+(0.0242×20)=2.984V 但是，該電壓會伴隨約2dB的峰化而增加，使實際輸出電壓為： 2dB=20log10(VOUT/2.984V) VOUT=3.757V 預計輸出電壓和實際輸出電壓之差會產生巨大誤差： 誤差=3.757V–2.984V=0.773V 校正此誤差以保證精度很重要，并且專門設計了模擬雙四通道濾波器對該誤差進行校正。實現該濾波器的詳情在下文“濾波器設計”部分予以討論。 加速度計范圍縮小 必須注意，隨著加速度計的頻率響應出現峰化，器件的可用加速度范圍隨之縮小。20kHz時，考慮使用70g加速度。預計輸出電壓為： 2.5V+(24.2mV/g×70g)=4.194V 具有~7dB峰化效應： 7dB=20log10(VUT/4.194V) VOUT=9.389V 由于ADXL001供電軌為5V，輸出將限制為大約+0.2V和+4.8V。因此，可測量的最大g值將取決于振動頻率。 必須允許±0.5V的額外裕量，因為0g失調電壓會有所變化。振動頻率低于2kHz左右時，0g失調振動將最大可用輸出電壓范圍限制為±1.8V，即相當于大約±70g。 隨著振動頻率從大約2kHz增加至22kHz，輸出達到飽和之前允許的最大g值以7dB(×2.24)步進逐步下降至±31g。只要最大g值低于±31g，在22kHz范圍內濾波器便具有平坦的頻率響應，而無飽和或信息丟失。 濾波器設計 為了補償加速度計頻率響應的增益峰化，使用了一個模擬雙四通道陷波濾波器。品質因數(Q=2.5)以及波束的諧振頻率(22kHz)均可在ADXL001數據手冊的規格表中找到。 通過創建22kHz時峰值約為-7dB的陷波濾波器，加速度計的頻率響應可變得較為平坦，使得更高頻率下的振動測量更為簡單。圖5顯示濾波器、加速度計和整個信號鏈的頻率響應。使用正弦波作為EVAL-CN0303-SDPZ板的輸入，仿真加速度計輸出，并獲取數據。 圖5.ADXL001頻率響應、濾波器頻率響應和系統頻率響應 陷波濾波器的設計參考《無源和有源網絡分析與頻率合成》中的示例電路，并對其進行了修改。該書作者為Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13：978-0881336252）。該補償器的傳遞函數為前文得出的傳遞函數之反函數。Multisim電路設計套件用于仿真并驗證陷波濾波器的傳遞函數。濾波器參數指定為Q=2.5，中心頻率=22kHz，陷波深度=7dB。 測試結果 執行兩個基本測試，驗證系統性能。首先，使用信號發生器驅動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如圖5所示，測量輸入和輸出電壓，繪出20log10(VOUT/VIN)圖形。 其次，驗證整個信號鏈的頻率響應，確保設計的性能。為了更加精確地驗證系統頻率響應，使用信號發生器仿真ADXL001的輸出。 出于測試目的，仿真5g加速度信號，并在50kHz頻率范圍內將其驅動至濾波器。若ADXL001在敏感軸上承受±5g正弦加速度，則將會輸出相應的交流電壓： ±5g×0.0242V/g=±0.121V 該電壓于0g輸出條件下置中，即2.5V。 信號發生器將該電壓驅動至濾波器。使用示波器測量濾波器的峰值輸出電壓。該電壓將轉換為g值（g除以靈敏度），并與初始輸入加速度進行比較。繪出20log10(VOUT/VIN)圖形，即系統的頻率響應圖。 針對加速度計頻率響應中的峰化，調節信號發生器的輸出電壓非常重要。對于10kHz頻率，信號發生器的輸出電壓必須增加約1.8dB，以便精確表示加速度計在5g加速度情況下的輸出電壓。 圖5顯示移除加速度計頻率響應中較大峰值后的結果。-3dB帶寬約為23kHz。由于加速度計頻率響應的峰值與濾波器響應中陷波的微小對準誤差，在造成滾降前，可在通帶中即時發現少量紋波。 采用Wavetek的81系列脈沖/函數發生器產生2kHz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數據轉換并對數據繪圖的屏幕截圖。采樣速率為1MSPS。 圖6.CN0303評估軟件以1MSPS采樣速率數字化2kHz正弦波的屏幕截圖 PCB布局考慮 在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。本系統的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。有關布局和接地的詳細論述，請參見MT-031指南；有關去耦技術的信息，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與可能導致電路板損壞的任何振動相隔離（由機械應力造成），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。電容應盡可能靠近該器件放置。 電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應。時鐘和其它快速開關的數字信號應通過數字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。 有關本電路筆記的完整設計支持包，請參閱www.analog.com/CN0303-DesignSupport。 圖7.EVAL-CN0303-SDPZ照片 常見變化 如需獲得更為復雜的振動檢測解決方案，可使用雙軸（ADXL2xx系列）或三軸（ADXL3xx系列）加速度計代替ADXL001。通過在第二或第三個空間維度測量加速度，用戶可編寫自定義軟件，實現更為精確復雜的振動檢測系統。 功能框圖 圖8顯示測試設置的功能框圖。信號發生器用于仿真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)，測量實際振動。 圖8.測試設置功能框圖 設置 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+6.0V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。 測試 啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0303-SDPZ板的串行數據。 有關SDP板的信息，請參閱SDP用戶指南。 有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數據的詳細信息，請參閱軟件的Readme文件：www.analog.com/CN0303-UserGuide。 |
