隔離式狀態(tài)監(jiān)控通道之間的相位匹配：DAQ μModule應(yīng)用

簡介

狀態(tài)監(jiān)控(CM)系統(tǒng)在制造、航空航天、醫(yī)療健康和基礎(chǔ)設(shè)施等各種行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此類系統(tǒng)幫助檢測和分析各種情況，確保資產(chǎn)和機(jī)械的安全性、可靠性和性能。監(jiān)控的主要參數(shù)之一是振動，振動信號的幅度、頻率和相位包含大量有關(guān)資產(chǎn)狀況的信息。

本文闡釋了CM系統(tǒng)中準(zhǔn)確相位測量的重要性，以及其在涉及多個(gè)同步采樣通道的數(shù)據(jù)采集(DAQ)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。本文討論了多種傳統(tǒng)解決方案，同時(shí)介紹了一種創(chuàng)新方法，它能使相位匹配性能達(dá)到全新水平。

架構(gòu)

CM系統(tǒng)由多個(gè)傳感器或變換器組成。許多系統(tǒng)采用集中式系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)傳感器通過模擬電纜連接到DAQ解決方案的一個(gè)通道或輸入1。

圖1 集中式DAQ架構(gòu)¹

傳感器類型眾多，可測量振動、聲音和電流等參數(shù)。傳感器可以在單個(gè)資產(chǎn)設(shè)備的多個(gè)點(diǎn)和軸上收集數(shù)據(jù)，甚至可以在多個(gè)獨(dú)立資產(chǎn)設(shè)備上同時(shí)收集數(shù)據(jù)2。來自這些渠道的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可讓我們深入了解系統(tǒng)行為，例如預(yù)測機(jī)器故障，防患于未然，或在問題惡化前提前安排維護(hù)工作。

用例

使用多通道同步采樣ADC

第一個(gè)用例是CM系統(tǒng)對來自兩個(gè)或更多正交傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位分析，以監(jiān)測機(jī)器運(yùn)行和異常，例如失衡、中心偏移和底角松動等。我們可以使用其中一個(gè)傳感器的相位作為參考來確定故障位置，而無需使用轉(zhuǎn)速計(jì)3。

圖2 應(yīng)用：使用相位分析確定故障的類型和位置

在多軸檢測中，保留信號捕獲之間相對恒定的時(shí)間延遲對于時(shí)間和頻率信息的后處理至關(guān)重要。換句話說，信號需要同步采樣且通道間相位匹配，以保留幅度和相位（時(shí)間）域信息。否則，傳感器之間的相位角測量會不準(zhǔn)確。CM系統(tǒng)供應(yīng)商的相位匹配規(guī)格在20 kHz時(shí)可以低至1°，其中甚至包括隔離電路的延遲和抖動。

而多通道同步采樣Σ-Δ ADC（如ADI的AD7768-4或AD4134）可有助于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。參見表1。相比逐次逼近寄存器(SAR)型ADC，Σ-Δ ADC具有更高的DC至100 kHz分辨率和適合振動信號時(shí)域與頻域分析的濾波功能，因而在CM應(yīng)用中更受青睞。

表1 不同ADC的相位匹配性能和相位校準(zhǔn)分辨率

然而，使用離散時(shí)間Σ-Δ(DTSD) ADC（如AD7768-4）時(shí)，信號鏈可能出現(xiàn)相位失配誤差。DTSD ADC無法抑制其采樣頻率倍數(shù)處的混疊，因此系統(tǒng)容易受到帶外干擾的影響，目標(biāo)CM信號可能會受到破壞。為了改善這些頻率處的抑制效果，ADC驅(qū)動器級采用模擬抗混疊濾波器設(shè)計(jì)（圖3，通常為三階或更高階），同時(shí)使帶內(nèi)幅度誤差保持最小。例如，設(shè)計(jì)用于在16 MHz（采樣頻率）和160 kHz -3dB（輸入帶寬）下實(shí)現(xiàn)-80 dB抑制的二階巴特沃茲濾波器，即使RC失配容差低至1%，在20 kHz時(shí)也可能存在±0.15°的相位失配4。

對于連續(xù)時(shí)間Σ-Δ(CTSD) ADC（如AD4134）來說，這不是問題，因?yàn)槠湓谕◣е獠皇芨蓴_，故而無需模擬抗混疊濾波器。然而，DTSD和CTSD關(guān)鍵區(qū)別在于，前者在功耗調(diào)節(jié)方面更靈活。此外，可能還有其他原因造成延遲，例如輸入放大器和隔離電路。

圖3 相位失配誤差源

為了解決此問題，這兩種多通道IC都有相位校準(zhǔn)寄存器，可根據(jù)每個(gè)通道在不同頻率和溫度下的延遲（比1/Fsampling更準(zhǔn)確，在20 kHz時(shí)約為0.5°），調(diào)整每個(gè)通道的相位（表1）?？傮w而言，多通道同步采樣ADC雖然存在局限性，但在大多數(shù)情況下都能滿足需求。

接地環(huán)路和隔離需求

考慮同時(shí)監(jiān)測單臺機(jī)器的不同部分，甚至監(jiān)測不同的機(jī)器。在此系統(tǒng)中，我們需要仔細(xì)考慮接地環(huán)路。

圖4 加速度計(jì)在安裝中接地不當(dāng)⁵

儀器儀表使用接地和屏蔽來保護(hù)測量信號免受噪聲和雜散電磁場的影響。用于連接傳感器和DAQ解決方案的電纜通常是屏蔽雙絞線，其中屏蔽層從傳感器側(cè)接地，或者從DAQ側(cè)接地。

例如，如果(1)傳感器有一條接地路徑，(2)DAQ也有另外一條接地路徑，并且(3)電纜屏蔽層從兩側(cè)接地，則會形成接地環(huán)路（圖4）。接地環(huán)路讓電流可以沿著屏蔽層流動。因此，屏蔽層上來自電源線和附近機(jī)械的感應(yīng)電流可能會將干擾耦合到信號線上。為了正確接地，理想情況下從系統(tǒng)中的任何點(diǎn)到地應(yīng)該只有一條低阻抗路徑。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮應(yīng)用、環(huán)境和傳感器的隔離類型。

圖5 正確接地：在儀器儀表處接地，在加速度計(jì)處隔離⁵

加速度計(jì)可以是(a)外殼接地、(b)外殼隔離或(c)接地隔離6。

(a)外殼接地的加速度計(jì)連接到導(dǎo)電表面時(shí)，會有一條接地路徑。單通道系統(tǒng)僅要求隔離DAQ。但對于多通道系統(tǒng)，多個(gè)傳感器的接地會形成接地環(huán)路。

(b)為了避免這個(gè)問題，推薦采用隔離傳感器和接地多通道DAQ解決方案（圖5）。許多加速度計(jì)具有基本的外殼隔離，檢測元件通常通過有涂層的焊盤與傳感器外殼隔離。

(c)其他加速度計(jì)則采用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)與安裝表面的接地隔離。

i.粘合劑安裝可實(shí)現(xiàn)不同程度的隔離，具體取決于粘合劑的厚度。

ii.  整體式外殼隔離和隔離安裝通常需要較高/額外的成本，但在危險(xiǎn)環(huán)境中，例如存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)，這種隔離可能是必要的。

總而言之，在隔離傳感器的同時(shí)讓DAQ接地可以解決接地環(huán)路問題，但成本可能較高。

圖6 外殼隔離的加速度計(jì)和隔離底座⁶

降低成本，在DAQ處隔離

為了避免隔離傳感器的高成本，也可以考慮使用多個(gè)單通道ADC（如AD7768-1）和隔離電路（圖7）。要在傳感器側(cè)接地，傳感器外殼可用作接地點(diǎn)。這樣，DAQ解決方案可獨(dú)立配置、可擴(kuò)展且適用于更廣泛的應(yīng)用場景。

圖7 正確接地：在儀器儀表處隔離，在加速度計(jì)處接地⁵

您可能已經(jīng)意識到了：這又要解決主要由模擬AAF引起的通道之間相位失配較大的問題。

若無同步采樣和相位校準(zhǔn)寄存器，便只能通過時(shí)序進(jìn)行校準(zhǔn)，以減小相位失配誤差。FPGA可以控制每個(gè)通道開始捕獲數(shù)據(jù)的時(shí)序，但需要高頻時(shí)鐘和相位/延遲鎖定環(huán)，這會大幅增加DAQ解決方案的復(fù)雜性。

μModule解決方案的廣闊天地

μModule提供封裝級的相位匹配解決方案。

μModule解決方案將完整的信號鏈集成到系統(tǒng)級封裝(SIP)中，因此僅需一份數(shù)據(jù)手冊就能說明整個(gè)信號鏈的性能。該方案不僅消除了冷焊料和BOM（物料清單）可用性等重大PCB組裝問題，而且通過ADI的集成無源器件(iPassives)技術(shù)提高了性能，使客戶能夠應(yīng)對相位匹配等復(fù)雜的系統(tǒng)級挑戰(zhàn)。

ADI公司的ADAQ7768-1是一款單通道μModule DAQ系統(tǒng)，適合CM應(yīng)用。其中包括一個(gè)36 V可編程增益儀表放大器(PGIA)、一個(gè)四階有源抗混疊濾波器(AAF)和一個(gè)具有與AD7768-1相同特性的24位DTSD ADC。

圖8 ADAQ7768-1功能框圖

ADAQ7768-1利用iPassives網(wǎng)絡(luò)提供四階模擬AAF，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的器件間相位匹配性能，堪比同步采樣ADC及其相位校準(zhǔn)分辨率，如表2和圖9所示。圖10說明了iPassives網(wǎng)絡(luò)如何從制造開始實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配，其中電阻差異通過顏色漸變來表示。iPassives電阻容差可以低于0.1%，而電阻溫度系數(shù)(TCR)匹配誤差可以小于1 ppm/℃，這意味著設(shè)計(jì)好的RC濾波器帶寬可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。憑借iPassives網(wǎng)絡(luò)，μModule解決方案通過BOM和組件方法解決了相位失配問題，使性能突破了傳統(tǒng)分立信號鏈的限制，達(dá)到全新水平。

表2 不同ADC（包括精密信號鏈μModule解決方案）的相位匹配性能和相位校準(zhǔn)分辨率

*ADAQ776x-1相位失配最大值 = 6Σ（典型值 =±1Σ）

*相位匹配 = 相位失配 * 2

圖9 在20 kHz時(shí)和整個(gè)溫度范圍內(nèi)的ADAQ7768-1器件間相位角失配，歸一化為25℃時(shí)的平均值

圖10 相較于分立電阻，ADI的iPassives電阻具有更嚴(yán)格的容差和匹配性能⁷

同類產(chǎn)品和區(qū)別

除了ADAQ7768-1外，還有其他大類產(chǎn)品使用相同的集成ADC，即ADAQ7767-1和ADAQ7769-1（圖11）。

圖11 與IEPE傳感器一起使用的各種ADAQ776x-1大類產(chǎn)品

ADAQ7768-1

ADAQ7768-1內(nèi)置一個(gè)全差分PGIA。由于具有高阻抗和低輸入偏置電流，它可直接連接到各種傳感器。不同于傳統(tǒng)的電壓反饋放大器，集成PGIA在所有增益設(shè)置下保持幾乎相同的帶寬，無論增益如何設(shè)置都能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的器件間相位匹配。

ADAQ7767-1

ADAQ7767-1不提供集成輸入放大器，從而降低成本，讓客戶可以采用定制的輸入信號調(diào)理方案。該器件有三個(gè)輸入范圍，單端輸入的最大范圍為±24 V，支持直流耦合IEPE傳感器架構(gòu)和更簡單的電源解決方案。

ADAQ7769-1

ADAQ7769-1在ADAQ7767-1基礎(chǔ)上增加了單端可編程增益低噪聲放大器。單端輸入范圍仍為±24 V，支持直流耦合IEPE傳感器架構(gòu)并提供更完整的解決方案。

實(shí)現(xiàn)同步

為了充分發(fā)揮這些產(chǎn)品的相位匹配性能，器件必須遵循適當(dāng)?shù)耐椒椒?。雖然存在同步各種產(chǎn)品的通用方法，但某些器件可以采用專屬同步方式，這通常會為整個(gè)系統(tǒng)帶來益處。

一般來說，許多SD ADC提供了SYNC或引腳，允許控制器同步彼此獨(dú)立但通常相似的ADC。在時(shí)間敏感的ADC中，這通常要求SYNC脈沖與共享控制器時(shí)鐘(MCLK)同步。否則，抖動和傳輸延遲可能會導(dǎo)致一個(gè)器件的同步觸發(fā)信號會比其他器件延后一個(gè)MCLK周期。圖12解釋了如何使用來自控制器的脈沖同步各ADAQ776x-1，理想情況下此脈沖與系統(tǒng)MCLK保持一致。

圖12 使用與MCLK保持一致的SYNC_IN來同步通道間隔離系統(tǒng)中的ADAQ776x-1器件

由于CM應(yīng)用中的同步和相位匹配要求，ADAQ776x-1和AD7768-1大類產(chǎn)品包含引腳，當(dāng)由GPIO = 輸入脈沖或通過SPI寫操作觸發(fā)時(shí)，該引腳會輸出脈沖。在這兩種情況下，脈沖隨后可以饋入引腳，觸發(fā)有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開始。

為了減少通道間隔離系統(tǒng)中隔離數(shù)字走線的數(shù)量，建議使用第二種方法，從同一SPI輸入線(SDI)對所有器件執(zhí)行SPI寫操作，從而啟動脈沖，由此便可實(shí)現(xiàn)同步，如圖13所示。

這里假設(shè)所有通道有一個(gè)共同MCLK，理想情況下它與SPI時(shí)鐘(SCLK)同步，以避免延遲觸發(fā)。這種方案無需來自控制器的隔離或線。為進(jìn)一步減少數(shù)字隔離線路，ADAQ776x-1和AD7768-1大類產(chǎn)品可將數(shù)據(jù)就緒信號（DRDY或RDY）與輸出數(shù)據(jù)(DOUT)結(jié)合在同一線路中。

圖13 使用SPI寫操作同步通道間隔離系統(tǒng)中的ADAQ776x-1器件

圖14為采用ADAQ7768-1的通道間隔離高性能DAQ解決方案，其中使用ADP1031作為隔離電源解決方案，為所有供電軌供電，并使用ADuM141D提供額外的隔離數(shù)字走線。

圖14 采用ADAQ7768-1的通道間隔離高性能DAQ解決方案

結(jié)論

由ADAQ776x-1的隔離單通道組成的CM系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可提供堪比同步采樣SD ADC的相位匹配性能。μModule解決方案利用ADI iPassives技術(shù)提供的精密電阻來解決RC抗混疊濾波器引入的相位匹配問題。

致謝

感謝John Healy和Naiqian Ren對本文的技術(shù)貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

1 Naiqian Ren，“狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)及其對信號鏈實(shí)施方案的影響”，ADI公司，2021年10月。

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3 Tony DeMatteo，“相位分析：輕松進(jìn)行振動分析”，Ludeca，2010年10月。

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7 Mark Murphy和Pat McGuinness，“使用微型模塊SIP中的集成無源器件”，《模擬對話》，第52卷，第10期，2018年10月。

8 Pete Sopcik和Dara O'Sullivan，“傳感器性能如何支持狀態(tài)監(jiān)控解決方案”，《模擬對話》，第53卷第6期，2019年6月。

關(guān)于作者

Malcolm Kwok是信號鏈μModule?解決方案的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。自加入ADI公司以來，他一直參與信號鏈μModule解決方案的概念設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)，此類產(chǎn)品的主要用于精密數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。