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          適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

          作者: 時(shí)間:2021-03-09 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:Circuits from the Lab參考設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)測(cè)試的參考設(shè)計(jì),有助于加速設(shè)計(jì),同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成,幫助并解決當(dāng)今模擬、混合信號(hào)和RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202103/423240.htm

          如圖1所示,使用了基準(zhǔn)電壓為2.5 V的基準(zhǔn)電壓芯片(ADR441A),確保VCOM穩(wěn)定。此基準(zhǔn)電壓IC具有很高的溫度漂移特性,在-25°C至+ 85°C的溫度范圍內(nèi),電壓變化值為2.75 mV。此變化乘以2.667的增益,導(dǎo)致檢測(cè)到7.33 mV的總溫度漂移,該漂移隨后由DAC予以補(bǔ)償。

          每次輸入電壓或VCOM發(fā)生變化時(shí)(VCOM僅因溫度漂移而變化),DAC都會(huì)反向補(bǔ)償該變化。在這種情況下,僅VCOM發(fā)生變化,輸入偏置則保持穩(wěn)定。ADR441A的電壓漂移占主導(dǎo)地位,這可以從圖8看出,其形狀與ADR441A的電壓漂移曲線相反。在指定溫度范圍內(nèi),數(shù)字碼的總變化為32 LSB。

          DAC緩沖器

          DAC的內(nèi)部緩沖器會(huì)限制電壓噪聲,必須進(jìn)行濾波。由于DAC與共享4.096 V基準(zhǔn)電壓,因此DAC輸出也必須放大以提供0 V至5V。

          ADI 電路筆記 0540 圖9 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖9 帶緩沖器的DAC

          圖9顯示了采用低通Sallen-key濾波器結(jié)構(gòu)且具有增益輸出的電平轉(zhuǎn)換DAC。濾波器的截止頻率通過(guò)下式設(shè)置為大約100 Hz的較低值:

          ADI 電路筆記 0540 公式14 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          由于對(duì)Sallen-key濾波器拓?fù)鋺?yīng)用了一個(gè)增益,因此必須考慮濾波器的穩(wěn)定性。否則,緩沖器很可能會(huì)變成振蕩器。另一個(gè)與穩(wěn)定性相關(guān)的因素是濾波器質(zhì)量(Q),此模塊必須加以考慮。Q因子應(yīng)保持足夠低的值(小于0.707),以確保頻率響應(yīng)在截止頻率處沒有峰化,滾降具有較和緩的斜率,而且開始頻率顯著早于截止頻率。低Q因子適合于需要在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有高線性度的應(yīng)用。注意,只要Q因子變?yōu)樨?fù)值,結(jié)構(gòu)便變得不穩(wěn)定。使用下式確定Q因子:

          ADI 電路筆記 0540 公式15 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          其中k為Sallen-key拓?fù)涞脑鲆?,如下所示?/p>

          ADI 電路筆記 0540 公式16 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          對(duì)于圖9所示的值,截止頻率為102 Hz,k為1.215,Q為0.27,穩(wěn)定性和平滑滾降均有保證。

          我們比較了有緩沖器和無(wú)緩沖器的DAC轉(zhuǎn)換模塊的噪聲性能。請(qǐng)注意,用于該測(cè)量的信號(hào)鏈在輸入短路時(shí)具有12.3μV rms的噪聲和108.2 dB的動(dòng)態(tài)范圍。該均方根噪聲是在64 kHz帶寬下測(cè)得的。

          表3顯示了輸出電壓如何隨DAC碼變化。DAC輸出以漸進(jìn)方式設(shè)置:從零到四分之一量程、半量程,最終達(dá)到四分之三量程。在最壞情況下,DAC轉(zhuǎn)換模塊的噪聲貢獻(xiàn)僅為1.3μV rms。

          表3 測(cè)得的DAC輸出的噪聲比較

          DAC碼

          無(wú)緩沖器

          有緩沖器

          噪聲

          動(dòng)態(tài)范圍

          噪聲

          動(dòng)態(tài)范圍

          0x0000

          12.71 μV rms

          107.3 dB

          13.1 μV rms

          107.5 dB

          0x3FFF

          24.52 μV rms

          101.9 dB

          13.4 μV rms

          107.2 dB

          0x7FFF

          25.21 μV rms

          101.1 dB

          13.6 μV rms

          107.5 dB

          0x9FFF

          26.39 μV rms

          101.2 dB

          13.6 μV rms

          107.3 dB

          抗混疊濾波器和

          抗混疊濾波器和使用差分多反饋低通結(jié)構(gòu),并將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)??够殳B濾波器的截止頻率設(shè)置為54 kHz,這比大多數(shù)壓電加速度計(jì)的帶寬要寬。該濾波器在2.3 MHz時(shí)提供?80 dB的阻帶抑制。

          此級(jí)的增益設(shè)置為2.667,以便通過(guò)提升輸入幅度來(lái)更緊密地匹配ADC輸入的±VREF范圍,從而改善。FDA也會(huì)放大寬帶噪聲,但由于抗混疊濾波器會(huì)限制寬帶噪聲,因此性能的降低小于信號(hào)增益帶來(lái)的改善。

          模數(shù)轉(zhuǎn)換

          AD7768-1是一款精密、單通道、24位Σ-Δ型ADC,選擇這款器件的原因是它具有出色的DC至204 kHz帶寬精度、低功耗、108.5 dB(典型值)動(dòng)態(tài)范圍和?120 dB THD。

          使用式17計(jì)算ADC的輸出數(shù)據(jù)速率:

          ADI 電路筆記 0540 公式17 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          其中:

          MCLK為主時(shí)鐘。

          MCLKDIV為主時(shí)鐘分頻器系數(shù)。

          FILTEROSR為所選數(shù)字濾波器的過(guò)采樣率(OSR)。

          時(shí)鐘分頻器和濾波器OSR是寄存器設(shè)置,可以通過(guò)SPI總線進(jìn)行更改。有限脈沖響應(yīng)(FIR)和SINC5濾波器的OSR是在AD7768-1的寄存器映射中嚴(yán)格設(shè)置。用戶可以使用下式將特定值寫入13位SINC3抽取率寄存器,從而將SINC3濾波器設(shè)置為自己偏好的OSR并更改輸出數(shù)據(jù)速率:

          ADI 電路筆記 0540 公式18 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          其中,ODR為所需的輸出數(shù)據(jù)速率,單位為Hz;213 為SINC3寄存器可接受的最大值。例如,對(duì)于4 Hz輸出數(shù)據(jù)速率、16.384 MHz MCLK及低功耗模式(MCLK/16),SINC3寄存器值為7999。

          此參考設(shè)計(jì)的默認(rèn)設(shè)置針對(duì)32 kHz的ADC測(cè)量帶寬進(jìn)行了優(yōu)化,如下所示:

          ●   功耗模式:低功耗模式

          ●   MCLK分頻器:16

          ●   濾波器類型:FIR

          ●   濾波器抽取率:32

          ●   輸入預(yù)充電緩沖器:使能

          ●   基準(zhǔn)電壓緩沖器:使能預(yù)充電

          ●   VCM引腳輸出:(AVDD1 ? AVSS)/2

          ●   轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度:24位

          ●   轉(zhuǎn)換模式:連續(xù)

          ●   校驗(yàn)和:無(wú)校驗(yàn)和

          ●   數(shù)據(jù)讀取模式:連續(xù)

          ●   狀態(tài)位:禁用

          ●   DRDY信號(hào):使能

          針對(duì)低功耗、高要求的應(yīng)用,兩個(gè)緩沖器均可關(guān)閉。但是,緩沖器保持開啟可改善整體THD和。

          表4 針對(duì)不同帶寬的建議ADC設(shè)置

          ADC

          功耗模式

          MCLK

          比率

          濾波器

          類型

          濾波器

          抽取率

          ODR

          (kSPS)

          –3 dB帶寬

          (kHz)

           均方根噪聲

          (μV)

          快速

          2

          FIR

          32

          256

          110.8

          10.98

          4

          FIR

          32

          128

          55.4

          10.94

          8

          FIR

          64

          64

          27.7

          7.37

          16

          FIR

          32

          32

          13.9

          10.84

          16

          FIR

          1024

          1

          0.43

          1.76

          表5 信號(hào)鏈噪聲測(cè)量

          條件

          MCLK/161

          MCLK/81

          動(dòng)態(tài)范圍

          (dB)

          噪聲

          (μV rms)

          動(dòng)態(tài)范圍

          (dB)

          噪聲

          (μV rms)

          直流耦合,使能CCS





          輸入短路

          105.9

          23.8

          104.6

          24.2

          輸入端1 kΩ

          100.8

          33.2

          98.4

          39.2

          直流耦合,禁用CCS





          輸入短路

          105.7

          21.3

          105.4

          22.1

          輸入端1 kΩ

          105.9

          22.2

          105.2

          22.1

          1低紋波FIR濾波器帶寬 = 0.433×ODR。

          信號(hào)鏈的實(shí)測(cè)性能

          該信號(hào)鏈設(shè)計(jì)針對(duì)的是中等到更寬帶寬的振動(dòng)檢測(cè),較高的諧波和高于1 kHz的頻率成分很重要。設(shè)計(jì)必須權(quán)衡系統(tǒng)帶寬、線性度和可實(shí)現(xiàn)的噪聲性能。選擇較高的輸入阻抗以保持信號(hào)精度(線性度),在此設(shè)計(jì)中它決定了最大噪聲性能極限。信號(hào)帶寬也被設(shè)置得較寬,以保持系統(tǒng)在較高頻率下的響應(yīng)。使用帶寬較窄的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更低噪聲解決方案,消除更多的寬帶噪聲。

          CN-0540將模擬輸入帶寬設(shè)置為54 kHz,但實(shí)際信號(hào)帶寬由ADC配置決定。

          噪聲

          在幾種不同情況下對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈的噪聲性能進(jìn)行了測(cè)量。

          表5詳細(xì)列出了未連接任何傳感器時(shí)和添加1 kΩ負(fù)載電阻時(shí)信號(hào)鏈的典型噪聲性能。在信號(hào)鏈輸入端連接1 kΩ電阻的結(jié)果表明,恒定電流源會(huì)影響噪聲性能。電流噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲,乘以1 kΩ電阻,導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲升高。

          圖10顯示了輸入短路的系統(tǒng)的典型FFT圖。圖11顯示了輸入短路的直流耦合解決方案在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍。

          ADI 電路筆記 0540 圖10 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖10 輸入短路的直流耦合解決方案的FFT,DAC輸出為半量程

          ADI 電路筆記 0540 圖11 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖11 輸入短路的直流耦合解決方案在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍

          傳感器噪聲貢獻(xiàn)

          數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的常見目的是盡可能準(zhǔn)確地捕獲傳感器輸出信號(hào)。這在實(shí)踐中意味著,系統(tǒng)性能應(yīng)該由傳感器特性設(shè)置。傳感器的噪聲性能常常是整體測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵限制因素之一,了解這一點(diǎn)有助于確定設(shè)計(jì)的性能要求。

          此設(shè)計(jì)的目標(biāo)是支持傳感器以在大于1 kHz的帶寬提供振動(dòng)數(shù)據(jù),這些傳感器用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以對(duì)旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式工廠設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。

          表6詳細(xì)列出了少量振動(dòng)傳感器的性能水平和帶寬。傳感器選擇的主要考慮因素通常是帶寬、范圍、噪聲頻譜密度(NSD)和功耗。

          ADXL1002和ADXL1004傳感器是低功耗器件,適用于功耗和帶寬至關(guān)重要的各種振動(dòng)應(yīng)用。這些加速度計(jì)適合于連續(xù)監(jiān)控應(yīng)用,例如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)機(jī)器監(jiān)控。

          如需最高靈敏度和帶寬(較高頻率下的低噪聲和靈敏度至關(guān)重要),壓電傳感器仍然是最適合使用的傳感器。由于AD7768-1具有寬帶寬和低噪聲特性,因此該信號(hào)鏈可在超過(guò)10 kHz的較寬帶寬范圍內(nèi)匹配典型傳感器的性能水平。

          對(duì)于CN-0540,系統(tǒng)帶寬設(shè)置為54 kHz,信號(hào)鏈噪聲性能針對(duì)的是可以在該帶寬上實(shí)現(xiàn)>100 dB動(dòng)態(tài)范圍的傳感器。例如,Piezotronics PCB 621B40型加速度計(jì)在30 kHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)近105 dB的動(dòng)態(tài)范圍。

          通過(guò)調(diào)整各級(jí)的電阻值和增益,并且利用AD7768-1的較高過(guò)采樣模式,該電路可適用于動(dòng)態(tài)范圍更高、帶寬更窄的傳感器。完整的分析超出了本文的范圍,但AD7768-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了有關(guān)使用過(guò)采樣時(shí)權(quán)衡動(dòng)態(tài)范圍和帶寬的更多信息。

          表6 傳感器及相應(yīng)的噪聲密度測(cè)量結(jié)果

          傳感器

          范圍

          (±g)

          輸出范圍峰峰值

          (V)

          線性度

          (±%FSR)

          NSD

          (μg/√Hz)

          平坦帶寬

          (kHz)

          平坦帶寬下的噪聲

          (μg rms)

          平坦帶寬下的動(dòng)態(tài)范圍

          (dB)

          ADXL1002

          50

          4

          0.1

          25

          11

          2622

          82.60

          ADXL1004

          500

          4

          0.25

          125

          24

          19365

          85.23

          PCB 621B40

          500

          10

          1

          10

          30

          1732

          104.95

          PCB 352C04

          500

          10

          1

          4

          10

          400

          118.93

          PCB 333B52

          5

          10

          1

          0.4

          3

          22

          98.50

          線性度

          傳感器測(cè)量系統(tǒng)的線性度對(duì)于確保測(cè)量結(jié)果不會(huì)因傳感器輸出變化而變化至關(guān)重要。測(cè)量系統(tǒng)的精度不應(yīng)隨輸出偏置電壓或傳感器信號(hào)幅度變化而變化。理想情況下,當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化時(shí),精度也應(yīng)保持不變。

          CN-0540被設(shè)計(jì)為盡可能線性,并在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持該線性度,因此對(duì)測(cè)量信號(hào)鏈的校準(zhǔn)需求不多。系統(tǒng)對(duì)直流輸入電壓變化的非線性被報(bào)告為INL誤差。系統(tǒng)對(duì)正弦波輸入的非線性被報(bào)告為THD誤差。

          圖12和圖13中的數(shù)據(jù)表明:在寬輸入電壓范圍內(nèi),直流線性度(INL)在±10 ppm以內(nèi);在寬溫度范圍內(nèi),INL和THD均相對(duì)平坦。

          ADI 電路筆記 0540 圖12 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖12 不同溫度下INL與輸入電壓的關(guān)系

          ADI 電路筆記 0540 圖13 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖13 THD與溫度的關(guān)系

          交流與直流耦合解決方案

          CN-0540針對(duì)的是直流耦合應(yīng)用場(chǎng)景,其中必須保留信號(hào)的直流分量,或者必須將系統(tǒng)的響應(yīng)保持到低于1 Hz或更低的頻率。因此,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于處理IEPE傳感器的大直流偏置。

          但是,某些系統(tǒng)可能不需要低至DC的響應(yīng),在這些情況下,交流耦合輸入通道是可接受的。

          兩種解決方案的主要區(qū)別在于信號(hào)鏈的復(fù)雜性以及直流和低頻時(shí)的精度。交流耦合解決方案的復(fù)雜度較低,但在低頻時(shí)精度不高。

          用戶可以插入一個(gè)耦合電容與輸入電阻串聯(lián),使該設(shè)計(jì)適應(yīng)交流耦合設(shè)計(jì)。如需更多信息,請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)支持包中的原理圖文件。

          插入耦合電容的效果是將輸入響應(yīng)變?yōu)楦咄憫?yīng),在這種情況下,通常選擇遠(yuǎn)小于10 Hz的極點(diǎn)頻率。此濾波器不僅阻隔直流偏置電流,而且會(huì)消除一些1/f噪聲。交流耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍似乎高于直流耦合版本,但這僅僅是由于消除了低頻噪聲。這樣做的代價(jià)是對(duì)低頻振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的靈敏度降低。

          由于DAC輸出以及信號(hào)鏈輸入端缺少高通濾波器,直流耦合解決方案的噪聲預(yù)期也會(huì)更高。圖14顯示了CN-0540交流耦合時(shí)的響應(yīng),其高通截止頻率為1 Hz。測(cè)量條件如下:信號(hào)鏈的輸入短路,使能恒流源,ADC處于低功耗模式,MCLK/16,F(xiàn)IR濾波器抽取率為32,直流耦合測(cè)量。

          ADI 電路筆記 0540 圖14 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖14 輸入短路的交流耦合解決方案的FFT

          如果實(shí)施交流耦合解決方案,則必須選擇正確的電容類型以獲得最佳性能。一般而言,陶瓷電容會(huì)因?yàn)閴弘娦?yīng)而產(chǎn)生噪聲,因?yàn)殡妷合禂?shù)(相對(duì)介電常數(shù)隨施加的電壓而變化)和電介質(zhì)吸收而產(chǎn)生非線性。鉭電容可提供合理的性能,并且可制造出寬范圍的電容值,最高可達(dá)數(shù)百μF。在交流耦合情況下,鉭電容可以實(shí)現(xiàn)的THD性能水平與直流耦合系統(tǒng)相似,但頻率須高于10 Hz。為了準(zhǔn)確表示更低頻振動(dòng),最好選擇直流耦合版本。

          系統(tǒng)電源

          CN-0540帶有一個(gè)最優(yōu)電源解決方案,支持通過(guò)3.3 V單電源軌為整個(gè)信號(hào)鏈供電。

          電源解決方案

          圖15顯示了CN-0540電源部分的簡(jiǎn)化框圖。為了與具有Arduino樣式連接的微控制器和其他開發(fā)板兼容,該板的電源解決方案設(shè)計(jì)為采用3.3 V單電源(通常由Arduino兼容板提供)供電。

          為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性,微控制器板應(yīng)能通過(guò)3.3 V電源向振動(dòng)監(jiān)控板供應(yīng)至少250 mA的電流。這不算微控制器板本身從該電源獲取的電源電流。

          雖然CN-0540評(píng)估板在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)不需要250 mA電流,但在初始上電階段,可能有高達(dá)200 mA或更高的浪涌電流并持續(xù)最長(zhǎng)30 ms。如果微控制器板無(wú)法承受此電流,可能導(dǎo)致微控制器板上發(fā)生復(fù)位。如果發(fā)生意外復(fù)位,請(qǐng)檢查微控制器板的電流輸出規(guī)格。

          ADI 電路筆記 0540 圖15 - 適用于IEPE傳感器的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).jpg

          圖15 電源部分框圖

          電源解決方案包括三個(gè)電壓域:3.3 V域、5 V域和26 V域。它還包括用于IEPE傳感器的2.5 mA電流源。

          Arduino兼容板提供CN-0540直接使用的IOREF電源,因此不需要電源解決方案。IOREF為AD7768-1 (IOVDD)提供數(shù)字接口電源,并為16.384 MHz主時(shí)鐘源供電。

          CN-0540與低至1.8 V的IOREF電壓兼容,因此CN-0540板可連接至邏輯電平較低的微控制器板。

          所提供的電源解決方案電路的目的是讓CN-0540板可以從單個(gè)低壓電源(通常由微控制器板提供)供電,并從該電源生成其他所需的電壓軌。在CN-0540上,原始3.3 V輸入供電軌直接用于為AD7768-1提供數(shù)字接口邏輯電源(AVDD2電源),而且還為DC-DC級(jí)提供電源,從而將電壓提升至5 V和26 V。

          第一個(gè)DC-DC級(jí)將3.3 V升壓至7 V,然后通過(guò)LTC3459和ADP7118器件組合調(diào)節(jié)至5 V,以提供AD7768-1、LTC2606和ADR4540基準(zhǔn)電壓源以及相關(guān)放大器級(jí)所需的干凈供電軌。

          第二個(gè)DC-DC級(jí)將3.3 V升壓至28 V,然后通過(guò)LT3494和LT3008器件組合調(diào)節(jié)至26 V。這個(gè)干凈的26 V電源軌用于為L(zhǎng)T3092電流源供電,從而為IEPE傳感器提供2.5 mA電流和高達(dá)26 V的電壓。




          關(guān)鍵詞: SNR DAQ FDA ADC

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