本文對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器接口數(shù)據(jù)采集（DAQ）信號(hào)鏈設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論。我們將 研究 某些 設(shè)計(jì) 選擇， 如 系統(tǒng) 架構(gòu)、 傳感器 類型 和 分析 方法 會(huì) 如何 影響 DAQ 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì)， 并 通過 詳細(xì) 介紹 兩 個(gè) DAQ 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì) 示例， 將 這些 理論 付諸 實(shí)踐。

介紹

狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核心價(jià)值是長(zhǎng)期節(jié)約成本。通過預(yù)測(cè)性維護(hù)降低維護(hù)成本，并通過預(yù)防性維護(hù)消除計(jì)劃外生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間，從而節(jié)省成本。這種價(jià)值的實(shí)現(xiàn)依賴于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開發(fā)的早期階段準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別故障條件的能力。

與開發(fā)后期的災(zāi)難性故障不同，開發(fā)早期階段的災(zāi)難性故障通常顯而易見且易于檢測(cè)，而開發(fā)早期階段的故障檢測(cè)可能只會(huì)導(dǎo)致資產(chǎn)正常運(yùn)行行為的輕微偏差。這種偏差也可能是暫時(shí)的。正確檢測(cè)和分類早期故障特征通常需要使用不同檢測(cè)方式的高性能傳感器作為整體監(jiān)控解決方案的一部分。這些傳感器需要與具有匹配性能的DAQ信號(hào)鏈正確連接，以充分利用其檢測(cè)能力。 然后可以使用專門的算法組合和處理數(shù)據(jù)，以確定被監(jiān)控資產(chǎn)的整體狀況。

與所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，在設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要做出許多選擇。每一種選擇都有不同的權(quán)衡，并可能極大地改變DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)級(jí)注意事項(xiàng)

系統(tǒng)架構(gòu)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)（CM）系統(tǒng)要考慮的第一個(gè)級(jí)別是系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)傳感器和DAQ信號(hào)鏈之間的相對(duì)位置，有幾種常見的CM系統(tǒng)架構(gòu)選項(xiàng)，每種選項(xiàng)都有一定的優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)采集集中式

典型的 DAQ 集中 式 系統(tǒng) 將 多個(gè) 數(shù)據(jù) 采集 通道 捆綁 在 一個(gè) 集中 位置， 通常 以 盒 / 架 儀器 的形式 出現(xiàn)。傳感器位于遠(yuǎn)程位置，并使用模擬電纜連接到DAQ系統(tǒng)。

圖1.DAQ 集中式 系統(tǒng) 架構(gòu)。

DAQ 集中式 架構(gòu) 被 許多 現(xiàn)有 的 測(cè)量 解決 方案 廣泛 使用 。大多數(shù)臺(tái)式振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器以及工業(yè)模擬輸入模塊都采用這種架構(gòu)。它還非常適合設(shè)計(jì)具有內(nèi)置 CM 功能的資產(chǎn)，例如，在電機(jī)和泵中集成 CM 功能時(shí)。

此體系結(jié)構(gòu)的一些主要優(yōu)點(diǎn)包括：

布線成本低。低成本的同軸和雙絞線電纜通常用于在傳感器和DAQ之間長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)。

強(qiáng)大的界面。有許多標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，例如IEPE和4 mA至20 mA電流環(huán)路，旨在確保在嘈雜環(huán)境中提供可靠的傳感器接口。

靈活的傳感器支持。根據(jù)測(cè)量要求，可以設(shè)計(jì)相同的DAQ系統(tǒng)來支持多種傳感器類型。

支持惡劣的操作環(huán)境。傳感器和DAQ信號(hào)鏈的物理分離允許某些傳感器在電子元件通常不支持的條件下工作，例如具有極高的/低工作溫度。

更高效的數(shù)據(jù)采集 信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)。信號(hào)鏈設(shè)計(jì)可以共享更多常用模塊，以提高效率并降低成本。

采用DAQ集中式架構(gòu)的CM系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)要求是：

性能。大多數(shù) DAQ 集中 式 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 為 支持 多種 傳感器 類型。其中一些具有雙重功能，也可以用作通用DAQ儀器。這些需求提高了DAQ信號(hào)鏈的性能要求，并要求寬動(dòng)態(tài)范圍、可調(diào)帶寬、交流線性度和直流精度等指標(biāo)。

輸入保護(hù)。由于DAQ集中式系統(tǒng)的輸入端子經(jīng)常暴露在外部訪問中，因此它們?nèi)菀资艿浇泳€錯(cuò)誤，信號(hào)過量程和ESD等因素的損壞。通常需要額外的保護(hù)電路來幫助保護(hù)DAQ輸入。

混疊拒絕。采用DAQ集中式架構(gòu)的系統(tǒng)供應(yīng)商并不總是控制傳感器和與系統(tǒng)一起使用的輸入信號(hào)。因此，這些系統(tǒng)需要能夠抵御目標(biāo)測(cè)量頻帶之外的信號(hào)和噪聲混疊。其中許多系統(tǒng)要求DAQ完全抑制所有帶外信號(hào)。

功率和面積。與其他系統(tǒng)架構(gòu)相比，DAQ集中式架構(gòu)對(duì)DAQ信號(hào)鏈的功耗和解決方案尺寸的限制更少。然而， 一些 較 新 的 系統(tǒng) 正在 推動(dòng) 更高 的 通道 密度， 其中 DAQ 信號(hào) 鏈 解決 方案 尺寸 和 熱 密度 在 設(shè)計(jì) 考慮 方面 扮演 了 更 重要 的 角色。

邊緣節(jié)點(diǎn)

與DAQ集中式架構(gòu)相比，邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)處于解決方案集成水平的另一端。在 基于 邊緣 節(jié)點(diǎn) 的 系統(tǒng) 上， 傳感器、DAQ 信號(hào) 鏈 和 信號(hào) 處理 單元 都 位于 非常 近 的位置。信號(hào)在邊緣被感測(cè)、采集和處理。處理后的數(shù)據(jù)通過有線或無線通信鏈路發(fā)送到主機(jī)。

圖2.邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)。

許多電池供電的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

易于安裝。特別是對(duì)于無線系統(tǒng)，安裝邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在傳感節(jié)點(diǎn)之間布線可能很長(zhǎng)的電纜需要更少的努力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于整個(gè)系統(tǒng)更加明確和獨(dú)立，因此更容易設(shè)計(jì)優(yōu)化的信號(hào)鏈。

采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的CM系統(tǒng)的典型DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)要求是：

性能。準(zhǔn)確 了解 需要 將 哪些 傳感器 連接 到 DAQ ， 可以 定制 DAQ 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì) 并 提高 效率。然而，有限的功率預(yù)算，特別是在電池供電的系統(tǒng)中，可能會(huì)限制傳感器和信號(hào)鏈的性能。

輸入保護(hù)。由于系統(tǒng)是獨(dú)立的，模擬DAQ信號(hào)鏈不會(huì)暴露在外界。這放寬了模擬DAQ信號(hào)鏈輸入保護(hù)的要求。

混疊拒絕。同樣，傳感器和DAQ系統(tǒng)之間的短距離，加上獨(dú)立的物理結(jié)構(gòu)，使得邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)不太可能拾取帶外干擾。DAQ 系統(tǒng) 可能 仍 需要 一定 程度 的 濾波 來 保護(hù) 其 免受 來自 節(jié)點(diǎn) 內(nèi)部 的 干擾， 例如 來自 傳感器 時(shí)鐘 偽 器、 電源 和 通信 鏈路 的 干擾， 但 所需 的 抑制 水平 低于 DAQ 集中 式 系統(tǒng)。

功率和面積。低功耗和緊湊的解決方案尺寸是邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的常見要求。低功耗對(duì)于電池供電系統(tǒng)至關(guān)重要。系統(tǒng)的尺寸會(huì)影響系統(tǒng)外殼的材料成本、安裝的難易程度，對(duì)于振動(dòng)傳感系統(tǒng)，還會(huì)影響傳感器的機(jī)械特性。

DAQ 分布式 系統(tǒng)

DAQ 分布式 架構(gòu) 位于 DAQ 集中 式 和 邊緣 節(jié)點(diǎn) 架構(gòu) 之間。在這種架構(gòu)中， DAQ 信號(hào)鏈位于傳感器側(cè)，數(shù)據(jù)處理能力有限或沒有。采集的傳感器數(shù)據(jù)通過RS-485或10BASE-T1L以太網(wǎng)等數(shù)字有線鏈路傳送到集中式主機(jī)進(jìn)行后處理。

圖3.DAQ 分布式 系統(tǒng) 架構(gòu)。

DAQ 分布式 架構(gòu) 的 優(yōu)勢(shì) 包括 更 標(biāo)準(zhǔn) 化 的 通信 接口 和 更好 與 更大 工廠 自動(dòng) 化 系統(tǒng) 的 集成。

DAQ 分布式 系統(tǒng) 的 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì) 考慮 因素 與 邊緣 節(jié)點(diǎn) 系統(tǒng) 類似。

傳感器

傳感模態(tài)

選擇用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器取決于幾個(gè)因素，第一個(gè)因素是要支持的傳感方式。就像醫(yī)生會(huì)監(jiān)測(cè)患者的多個(gè)生命體征以更好地診斷他/她的健康狀況一樣，監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的多個(gè)參數(shù)可以提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。例如，振動(dòng)監(jiān)測(cè)已被證明是在開發(fā)的早期階段檢測(cè)機(jī)械故障的可靠方法。溫度是CM中另一個(gè)重要的補(bǔ)充參數(shù)，因?yàn)樵S多故障類型會(huì)產(chǎn)生熱量。其他常用傳感模式 CM 包括聲音、電能質(zhì)量、應(yīng)變、扭矩和位移。給定CM系統(tǒng)所需的傳感模式的確切組合還取決于被監(jiān)控的資產(chǎn)類型以及要檢測(cè)的故障類型。

傳感器類型

對(duì)于相同的傳感模式，還可以有多種傳感器類型可供選擇。不同類型的傳感器可能具有不同的性能和接口要求，并且沒有一種適合所有CM系統(tǒng)。

以振動(dòng)監(jiān)測(cè)為例。常見的振動(dòng)傳感器類型包括MEMS、壓電（壓電）和壓阻（動(dòng)態(tài)應(yīng)變片）。MEMS加速度計(jì)功耗低、重量輕、尺寸小，非常適合采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的系統(tǒng)。壓電加速度計(jì)可以支持非常寬的帶寬并具有高動(dòng)態(tài)范圍。帶有IEPE接口的壓電傳感器與許多振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器兼容，可以一起使用，以構(gòu)建具有DAQ集中式架構(gòu)的CM系統(tǒng)。

這兩種傳感器的接口要求也大不相同。一些MEMS加速度計(jì)具有數(shù)字輸出，可以直接連接到微處理器。大多數(shù)高性能MEMS加速度計(jì)具有模擬輸出，需要數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。MEMS傳感器通常可以由與DAQ信號(hào)鏈共享的單端3.3 V至5 V電源供電。相比之下，帶有IEPE接口的壓電加速度計(jì)通常由~4 mA恒流源供電，通過2芯電纜在24 V電源上產(chǎn)生，傳感器輸出為頂部的交流信號(hào) 直流偏置電壓（通常為8 V至10 V），通常需要對(duì)其進(jìn)行緩沖、衰減和電平轉(zhuǎn)換，然后才能由ADC采集。

通道數(shù)

另一個(gè)與傳感器相關(guān)的考慮因素是要使用的傳感器數(shù)量，這直接影響所需的DAQ通道數(shù)量。CM系統(tǒng)可以在多個(gè)位置部署相同的傳感器類型，以提供更完整的資產(chǎn)狀況。例如，一對(duì)振動(dòng)傳感器可以正交放置，以提供有關(guān)資產(chǎn)振動(dòng)幅度的更準(zhǔn)確信息。3軸振動(dòng)傳感器可以安裝在任何角度位置，并且仍然對(duì)所有方向的振動(dòng)具有完全的靈敏度。某些故障診斷方法還依賴于多個(gè)信號(hào)之間的相位差來對(duì)故障位置進(jìn)行三角測(cè)量。這 要求 CM 系統(tǒng) 同時(shí) 從 多個(gè) 相同 類型 的 傳感器 采集 信號(hào)， 這 需要 對(duì) DAQ 信號(hào) 鏈 進(jìn)行 同步 采樣、 相位 匹配 和 通道 采樣 同步 要求。

分析方法

分析方法的選擇在DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)決策中也起著關(guān)鍵作用。

頻域分析

頻域分析是用于監(jiān)測(cè)移動(dòng)機(jī)械的常用CM方法。旋轉(zhuǎn)機(jī)器基頻倍數(shù)的諧波可以通過振動(dòng)、聲音和電能質(zhì)量等傳感方式來檢測(cè)。確定這些諧波的振幅和頻率是分析機(jī)器運(yùn)行條件的第一個(gè)基本步驟。

頻域信息可以通過使用快速傅里葉變換（FFT）轉(zhuǎn)換時(shí)域樣本來獲得。頻率 分析 中 要 考慮 的 關(guān)鍵 DAQ 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì) 參數(shù) 包括：

感興趣的帶寬。感興趣的測(cè)量范圍取決于被監(jiān)控資產(chǎn)的屬性和故障覆蓋的類型。監(jiān)測(cè)齒輪箱軸承所需的振動(dòng)監(jiān)測(cè)帶寬可能明顯高于監(jiān)測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)擺動(dòng)所需的帶寬。整個(gè)監(jiān)控信號(hào)鏈應(yīng)具有足夠的帶寬，以覆蓋目標(biāo)的最高頻率分量。

幅度平坦度。頻率分析通常需要在目標(biāo)頻率上具有平坦的幅度響應(yīng)，也就是說，增益應(yīng)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持恒定。頻率的幅度響應(yīng)變化可能來自傳感器響應(yīng)和DAQ信號(hào)鏈內(nèi)濾波的響應(yīng)。通過選擇在目標(biāo)頻帶上具有平坦響應(yīng)的傳感器并將濾波器設(shè)計(jì)為具有平坦通帶響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)良好的平坦度。

帶外信號(hào)抑制。目標(biāo)頻帶外的信號(hào)對(duì)CM系統(tǒng)毫無用處，并且會(huì)消耗寶貴的處理能力，甚至污染目標(biāo)信號(hào)。DAQ信號(hào)鏈最好去除目標(biāo)頻帶外的所有信號(hào)。

噪聲。就像信號(hào)平坦度一樣，測(cè)量系統(tǒng)希望在目標(biāo)頻帶上具有均勻平坦的噪聲頻譜密度（NSD）。本底噪聲應(yīng)低于目標(biāo)的最小信號(hào)幅度。FFT工藝還有一個(gè)額外的好處，即由于處理增益，可以降低頻域輸出中的整體本底噪聲。一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋是，處理的樣本越多，箱子尺寸越窄，每個(gè)箱內(nèi)的功率越低。這允許測(cè)量系統(tǒng)人為地增加其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（僅在頻域中），以檢查原本低于本底噪聲的信號(hào)。處理增益的限制在于它需要大內(nèi)存和更長(zhǎng)的處理時(shí)間。測(cè)量信號(hào)鏈的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SDFR）還可以設(shè)置要測(cè)量的最小有效信號(hào)幅度。

動(dòng)態(tài)線性度。低諧波失真對(duì)于頻域諧波分析非常重要。由測(cè)量信號(hào)鏈的非線性引起的額外諧波可以掩蓋由故障條件引起的實(shí)際諧波信號(hào)的偏差。

時(shí)域分析

頻域分析僅限于監(jiān)測(cè)周期性信號(hào)，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)械固有產(chǎn)生的信號(hào)。對(duì)于以非周期方式運(yùn)行的資產(chǎn)（例如，線性和往復(fù)運(yùn)動(dòng)）以及基于特定時(shí)間運(yùn)行的資產(chǎn)（例如液壓/氣缸），需要進(jìn)行時(shí)域分析。即使對(duì)于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，某些分析方法，如沖擊脈沖法，也依賴于時(shí)域數(shù)據(jù)分析。

時(shí)域信息可以通過簡(jiǎn)單地分析采樣數(shù)據(jù)波形來獲得。時(shí)間分析時(shí)要考慮的關(guān)鍵DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)參數(shù)包括：

感興趣的帶寬。測(cè)量信號(hào)鏈的帶寬應(yīng)足夠?qū)挘悦庠谧罡吣繕?biāo)頻率下使信號(hào)波形失真。通常不是瞬態(tài)事件發(fā)生的頻率，而是瞬態(tài)事件引起的信號(hào)振蕩頻率決定了測(cè)量帶寬要求。在某些情況下，例如使用沖擊脈沖方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，瞬態(tài)事件引起的信號(hào)振蕩由傳感器的諧振頻率設(shè)定。

采樣率。與頻率分析（其中有效信號(hào)采樣率原則上不需要高于要監(jiān)控的最高頻率分量的兩倍）相反，時(shí)域分析的采樣率要求可能需要遠(yuǎn)高于目標(biāo)的最高輸入信號(hào)頻率。這是由于信號(hào)的瞬態(tài)性質(zhì) 被監(jiān)控。瞬態(tài)信號(hào)的過采樣使得分析信號(hào)波形的輪廓變得容易，包括其峰值和谷值幅度以及變化率。最大誤差峰值比可以從 1–cos （π/OS） 得出，其中 OS 是過采樣比，等于輸入信號(hào)頻率范圍內(nèi)的有效采樣率。10×瞬態(tài)信號(hào)振蕩頻率的過采樣會(huì)使峰值檢測(cè)精度限制在±5%以下。

噪聲。由于每個(gè)樣本中包含的噪聲會(huì)直接影響時(shí)域波形的幅度檢測(cè)精度，因此總均方根噪聲值在時(shí)域分析中至關(guān)重要。噪聲頻譜密度的平坦度并不重要，只要有效噪聲帶寬上的總積分噪聲滿足所需的測(cè)量精度即可。噪聲改善DSP技術(shù)，如FFT過程增益，在時(shí)域分析中不再可用。

階躍響應(yīng)。測(cè)量信號(hào)鏈需要具有良好的階躍響應(yīng)，以便正確復(fù)制瞬態(tài)信號(hào)輸入的曲線。這會(huì)影響DAQ信號(hào)鏈中的濾波器設(shè)計(jì)和選擇。

DAQ 信號(hào)鏈 設(shè)計(jì) 示例

在 本節(jié) 中， 我們 將 使用 兩 個(gè) CM 系統(tǒng) DAQ 信號(hào) 鏈 示例 來 展示 如何 將 系統(tǒng) 要求 轉(zhuǎn)換 到 信號(hào) 鏈 設(shè)計(jì) 中。

例 1

系統(tǒng)要求

邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)中的 3 V 至 3.6 V 電池供電系統(tǒng)

單軸振動(dòng)感應(yīng)，量程為 ±50 g

支持高達(dá) 10 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

動(dòng)態(tài)范圍 >10 kHz 帶寬內(nèi)為 80 dB

支持時(shí)域分析，包括沖擊脈沖法，采樣率為128 kSPS

在滿量程范圍內(nèi)等于或小于動(dòng)態(tài)非線性度的0.1%。

能夠在嘈雜的環(huán)境中工作，并能夠抑制電磁干擾（EMI）。

傳感器選擇

選擇ADXL1002MEMS加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。它符合關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，具有非常適合邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的低功耗和小外形尺寸。

ADXL1002具有11 kHz的平坦響應(yīng)帶寬，非常適合在目標(biāo)帶寬為10 kHz的頻率分析。傳感器的諧振頻率為21 kHz。可以對(duì)該頻率的信號(hào)進(jìn)行過采樣，以支持時(shí)域分析方法，例如沖擊脈沖法。

圖5.ADXL1002加速度計(jì)的頻率響應(yīng)分頻。

該傳感器的噪聲密度為 25 μg/√Hz，最高可達(dá) 10 kHz。如果10 kHz帶寬上的總均方根噪聲為25 × √（10e3)= 2.5 mg rms 輸入范圍為 ±50g，傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可通過下式計(jì)算

ADXL1002的輸出為緩沖電壓信號(hào)，幅度與感測(cè)加速度和傳感器電源電壓成正比。輸出信號(hào)偏置在等于傳感器電源電壓一半的直流電壓下。采用5 V電源供電時(shí)，ADXL1002的靈敏度為40 mV/g。采用 3.3 V 電源時(shí)，±50g輸入范圍內(nèi)的最大傳感器輸出信號(hào)擺幅為 ±50 × 40e–3/5 × 3.3 = ±1.32 V，中心電壓為

圖6.ADXL1002的滿量程輸出信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集要求

與ADXL1002傳感器接口的DAQ信號(hào)鏈需要滿足以下要求：

支持傳感器的整個(gè)輸出電壓范圍

具有超過 11 kHz 的平坦頻率響應(yīng)

能夠?qū)χC振頻率進(jìn)行至少5次過采樣×

讓傳感器主導(dǎo)整體交流和直流性能

為目標(biāo)頻帶外的信號(hào)提供足夠的混疊抑制

低功耗

解決方案尺寸小

建議的解決方案如圖7所示。它由單通道精密Σ-Δ型ADC AD7768-1和ADC驅(qū)動(dòng)放大器ADA4805-1組成。

圖7.電池供電邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器解決方案的DAQ信號(hào)鏈?zhǔn)纠摻鉀Q方案支持使用ADXL1002加速度計(jì)進(jìn)行單軸振動(dòng)檢測(cè)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇

AD7768-1是一款多功能精密ADC，具有多種工作模式，可在功耗、帶寬和噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡。可編程數(shù)字濾波器對(duì)于混疊抑制至關(guān)重要，可以使用不同的濾波器類型來支持頻域和時(shí)域分析。

在此設(shè)計(jì)中，我們選擇使用以下配置操作設(shè)備：

在 REF+ 輸入上啟用集成基準(zhǔn)電壓緩沖器

低功耗模式

低紋波寬帶濾波器，具有 32 kSPS ODR（濾波器選項(xiàng) A）

具有 128 kSPS ODR 的 Sinc5 濾波器（濾波器選項(xiàng) B）

集成的基準(zhǔn)電壓緩沖器可實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)，并且無需額外的緩沖放大器。該設(shè)計(jì)利用了ADXL1002輸出與其電源電壓之間的比例關(guān)系，以及AD7768-1的基準(zhǔn)電壓緩沖器支持軌到軌操作的事實(shí)，方法是在傳感器和ADC之間共享3.3 V電池電源，并使用與ADC基準(zhǔn)電壓相同的電壓。這不僅消除了為DAQ信號(hào)鏈生成專用基準(zhǔn)電壓的需要，而且還消除了由于電源電壓變化（例如電池放電隨時(shí)間變化）而導(dǎo)致的任何測(cè)量信號(hào)幅度變化。

低功耗模式操作使ADC的功耗降至最低，從而最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。在低功耗模式下，AD7768-1可以支持磚墻式低紋波寬帶濾波器，在ODR為32 kSPS（濾波器選項(xiàng)A）時(shí)具有13 kHz平坦（–0.1 dB）帶寬，非常適合覆蓋ADXL1002的11 kHz平坦帶寬，以執(zhí)行頻率分析。磚墻濾波器具有近乎理想的濾波器輪廓，非常適合頻率分析，但高階濾波器使其不太適合執(zhí)行時(shí)域分析。因此，可以使用具有較大階躍響應(yīng)的sinc5濾波器來滿足時(shí)域分析的需求。低功耗模式下的AD7768-1內(nèi)置sinc5濾波器，支持高達(dá)128 kSPS的輸出數(shù)據(jù)速率和26 kHz時(shí)的–3 dB頻率（濾波器選項(xiàng)B），足以對(duì)傳感器的21 kHz諧振頻率進(jìn)行過采樣5×以上。數(shù)字濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率均通過SPI接口進(jìn)行寄存器編程，允許信號(hào)帶寬 根據(jù)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖8.如何將不同的數(shù)字濾波器響應(yīng)用于不同的測(cè)量要求。

與將未濾波的過采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到外部數(shù)字主機(jī)進(jìn)行后處理相比，AD7768-1上的集成數(shù)字濾波器大大提高了數(shù)字處理的能效。AD7768-1在低功耗模式下的功耗（AVDD1、AVDD2和IOVDD采用3.3 V電源，REF+引腳使能時(shí)，估計(jì)功耗為10.2 mW，帶寬為32 kSPS ODR的寬帶低紋波濾波器為12.6 mW。

在此配置中，AD7768-1的噪聲對(duì)于濾波器選項(xiàng)A為11.5 μV rms，對(duì)于濾波器選項(xiàng)B為49.5 μV rms。本設(shè)計(jì)中ADC的輸入信號(hào)是±1.32 V的偽差分信號(hào)。具有此輸入范圍和濾波器選項(xiàng)A的ADC的有效動(dòng)態(tài)范圍為20 × log（1.32/√（2）/11.5e–6） = 98 dB，使用濾波器選項(xiàng) B 時(shí)為 85.5 dB。兩者都足以讓傳感器主導(dǎo)整體噪聲性能。

AFE 設(shè)計(jì)

雖然ADXL1002具有緩沖輸出，但在ADC的采樣頻率（2.048 MHz）下，其輸出阻抗不夠低，無法在采樣期間完全建立ADC的輸入。建議使用寬帶寬驅(qū)動(dòng)器放大器將傳感器與ADC橋接。選擇ADA4805-1是基于其寬帶寬、低輸出阻抗、低噪聲、小尺寸、 和低功耗。

由于ADC和驅(qū)動(dòng)放大器組合的噪聲性能低于傳感器的噪聲性能，因此無需增益?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)。ADA4805-1具有軌到軌輸出，但沒有軌到軌輸入。因此，驅(qū)動(dòng)器配置為增益為1的反相緩沖器。驅(qū)動(dòng)器的輸出裕量經(jīng)過驗(yàn)證，可滿足滿量程信號(hào)擺幅。

AD7768-1的數(shù)字濾波器在ADC采樣頻率附近的頻帶上也沒有抑制。利用ADA4805-1構(gòu)建一個(gè)有源抗混疊濾波器，以幫助數(shù)字濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的整體帶外信號(hào)抑制。該設(shè)計(jì)是一款二階低通濾波器，具有多反饋架構(gòu)和近巴特沃茲響應(yīng)，轉(zhuǎn)折頻率為–3 dB 在 32 Hz 時(shí)和 –73 dB 的抑制（在 2 MHz 時(shí)）。

圖9.示例1信號(hào)鏈的整體濾波器響應(yīng)。

驅(qū)動(dòng)器電路中使用的電阻值經(jīng)過精心選擇，以平衡功耗、電路噪聲、電容尺寸和ADA4805-1輸入偏置電流引起的直流失調(diào)誤差。

組合信號(hào)鏈的整體性能如表1所示。

例 2

系統(tǒng)要求

DAQ 集中式架構(gòu)中的 DAQ 模 塊， 具有 通道 間 隔離 的 DAQ 模 塊

偽差分輸入，最大輸入范圍為 ±12 V

支持IEPE接口

交流和直流偏置輸入選項(xiàng)

高達(dá) ±60 V 的輸入過壓保護(hù)

1 MΩ 輸入阻抗

支持高達(dá) 100 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

動(dòng)態(tài)范圍 >105 kHz 帶寬內(nèi)為 100 dB

無混疊（能夠抑制目標(biāo)頻帶外的所有信號(hào) –105 dB）

支持時(shí)域分析，包括沖擊脈沖法

總諧波失真為 ≤–115 dB，滿量程輸入為 1 kHz

高直流精度

支持可編程濾波器帶寬和輸出數(shù)據(jù)速率

建議的解決方案如圖10所示。它使用與示例1相同的24位精密Σ-Δ型ADC （AD7768-1）。模擬前端包括一個(gè)ADG5421F輸入保護(hù)開關(guān)、一個(gè)用于提供IEPE傳感器電源電流的LT3092恒流源、一個(gè)精密JFET緩沖放大器ADA4610-1、一個(gè)用于ADC驅(qū)動(dòng)的全差分放大器ADA4945-1，以及一個(gè)抗混疊濾波器結(jié)構(gòu)。精密基準(zhǔn)電壓源ADR444用于在精密運(yùn)算放大器ADA4528-1作為基準(zhǔn)電壓緩沖器的幫助下向ADC提供基準(zhǔn)電壓源。

圖 10.支持直接IEPE傳感器接口和通道間隔離的DAQ集中式解決方案的DAQ信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

傳感器電源

IEPE接口為2線接口，傳感器輸出信號(hào)（電壓）和傳感器電源（電流）共用同一根線。LT3092用于在30 V電源上構(gòu)建一個(gè)低噪聲2.5 mA電流源，為傳感器供電。電流值可通過電阻值進(jìn)行編程，以支持更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度/更高的電纜電容。

圖 11.只需一根 2 芯電纜即可與 IEPE 傳感器連接。

一些IEPE傳感器不是外殼隔離的，這意味著它們的OUT-端子可能連接到本地接地。如果傳感器接口DAQ也不是隔離的，那么DAQ也需要接地參考。在這種設(shè)計(jì)中，DAQ通道是隔離的。這有助于消除接地和電源電平限制，允許DAQ設(shè)計(jì)為雙極性電源，以支持更對(duì)稱的 雙極性輸入信號(hào)。

輸入保護(hù)

采用ADG5421F保護(hù)開關(guān)為電路提供輸入過壓保護(hù)。當(dāng)輸入電壓超過電源范圍時(shí)，內(nèi)部開關(guān)斷開，以保護(hù)DAQ信號(hào)鏈的其余部分。ADG5421F可承受高達(dá)±60 V的輸入電壓，其低而穩(wěn)定的R電壓上對(duì)于最小化信號(hào)失真至關(guān)重要。

在此設(shè)計(jì)中，該開關(guān)還用于為信號(hào)鏈輸入配置提供可編程選項(xiàng)。根據(jù)開關(guān)配置，信號(hào)鏈輸入可配置為交流或直流耦合，電流源可獨(dú)立切換進(jìn)出。

附加一個(gè)TVS與一個(gè)小（10 Ω）串聯(lián)電阻器一起，以幫助改善輸入節(jié)點(diǎn)的ESD保護(hù)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇

通道隔離要求推動(dòng)了對(duì)單通道DAQ解決方案的需求。

這兩個(gè)示例展示了AD7768-1的多功能性。在全功率模式下工作時(shí)，該ADC能夠使用磚墻數(shù)字濾波器（ODR = 256 kSPS）實(shí)現(xiàn)110 kHz的平坦帶寬，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)108 dB的動(dòng)態(tài)范圍（基準(zhǔn)電壓為4.096 V）。它還支持用于時(shí)域波形捕獲的sinc5濾波器，最大輸出數(shù)據(jù)速率為1.024 MSPS。

AD7768-1還具有業(yè)界領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)線性度和直流性能。這包括典型THD為–120 dB，1 kHz接近滿量程正弦輸入信號(hào)，失調(diào)誤差漂移為300 nV/°C，增益誤差漂移為0.25 ppm。

對(duì)于不需要通道隔離的多通道DAQ系統(tǒng)，可以使用同一ADC的四通道（AD7768-4）或八通道（AD7768）版本。

AFE 設(shè)計(jì)

輸入信號(hào)需要緩沖以達(dá)到所需的阻抗。緩沖放大器需要具有低輸入偏置電流、低噪聲、良好的動(dòng)態(tài)線性度、高直流精度和足夠的帶寬。ADA4610-1JFET運(yùn)算放大器是根據(jù)這些要求選擇的。它配置為單位增益緩沖器，需要±15 V電源。

然后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)ADC的輸入范圍。希望將偽差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換將測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍提高了6 dB，并大大降低了二次諧波失真。然后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以抑制混疊，并使用高帶寬和低輸出阻抗ADC驅(qū)動(dòng)器放大器進(jìn)行緩沖，以確保ADC輸入正確建立。幸運(yùn)的是，所有這些功能都可以通過使用單個(gè)ADA4945-1全差分ADC驅(qū)動(dòng)器放大器的電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，最小 失真和增加噪聲，同時(shí)保持出色的直流精度。

圖 12.模擬前端的信號(hào)調(diào)理。

在本電路中，信號(hào)衰減0.33，采用4.096 V ADC基準(zhǔn)電壓源時(shí)，允許±4.096/0.33 = ±12.41 V滿量程輸入擺幅。信號(hào)以±4.096 V幅度轉(zhuǎn)換為全差分，電平轉(zhuǎn)換為2.5 V（中間電源）共模電壓，使FDA輸出和ADC輸入都滿意。

如示例1所述，AD7768-1的數(shù)字濾波器在ADC采樣頻率附近的頻帶上也沒有抑制。在全功率模式下，ADC的有效采樣頻率為16.384 MHz。ADA4945-1構(gòu)建了一個(gè)有源抗混疊濾波器，以幫助數(shù)字濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的整體帶外信號(hào)抑制。該設(shè)計(jì)是一個(gè)三階低通濾波器，具有多反饋架構(gòu)和接近巴特沃茲響應(yīng)。另一個(gè)低通極點(diǎn)由緩沖放大器ADA4610-1前面的RC電路增加，以幫助進(jìn)一步提高FS處的混疊抑制。整個(gè)信號(hào)鏈頻率響應(yīng)在440 kHz時(shí)具有–3 dB轉(zhuǎn)折，以最大程度地減小帶內(nèi)響應(yīng)的幅度和相位失真。AAF 在 100 kHz 時(shí)引起的幅度下降小于 10 mdB。16.3 MHz時(shí)的幅度響應(yīng)約為–108 dB。這與AD7768-1的磚墻數(shù)字濾波器相結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)無混疊信號(hào)鏈，能夠 抑制所有帶外信號(hào)至少 105 dB。

圖 13.示例2信號(hào)鏈的整體濾波器響應(yīng)。

隔離和電源管理

這里不詳細(xì)討論數(shù)字和電源隔離及電源管理解決方案。ADP1031等解決方案可在隔離范圍內(nèi)提供SPI接口以及±15 V和5 V電源電壓。ADuM140D高速數(shù)字隔離器可用于跨隔離提供MCLK和SYNC_IN信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)跨通道采樣同步。

例 3

CN0540描述了IEPE傳感器接口DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的另一種方法。

CN0540設(shè)計(jì)支持0 V至24 V的單極性輸入范圍。它適用于與IEPE傳感器接口的非通道隔離DAQ系統(tǒng)，無需外殼隔離，在這種情況下，IEPE傳感器和DAQ信號(hào)鏈共享一個(gè)公共接地。此設(shè)計(jì)支持直流耦合到 IEPE 傳感器。盡管壓電傳感器不支持低至直流的響應(yīng)，但直流耦合使該信號(hào)鏈具有提取低頻振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)從低帶寬交流耦合電路中提取啟動(dòng)延遲。

相比之下，示例2所示的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)支持雙極性輸入信號(hào)。它 需要 在 交流 耦合 模式 下 工作 才能 與 IEPE 傳感器 連接， 但 這種 ±12.4 V 輸入 范圍 和 高 輸入 阻抗 使其 更 適合 多 用途 DAQ 系統(tǒng)。

總結(jié)

總之，本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、傳感器類型和分析方法的選擇如何極大地影響狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的DAQ信號(hào)鏈設(shè)計(jì)。本文討論的設(shè)計(jì)考慮因素以及示例參考設(shè)計(jì)有望幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為其狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做出最佳設(shè)計(jì)選擇。

審核編輯：郭婷