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優(yōu)勢(shì)和特性 ● 高g、基于MEMS的振動(dòng)分析儀 ● 平坦的響應(yīng)：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(jì) AD8606：精密、低噪聲、CMOS、軌到軌輸入/輸出、雙封裝運(yùn)算放大器 AD7476：2.35V至5.25V、低功耗、單通道、1MSPS、12位ADC 評(píng)估和設(shè)計(jì)支持 電路評(píng)估板 CN-0303電路評(píng)估板(EVAL-CN303-SDPZ) 包含ADXL001評(píng)估板(EVAL-ADXL001-70Z)和用于連接的扁平電纜 系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CS1Z) 設(shè)計(jì)和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢(shì) 圖1所示電路是一款高線(xiàn)性度、低噪聲、寬帶寬振動(dòng)檢測(cè)解決方案。該方案適用于要求具有寬動(dòng)態(tài)范圍（±70g、±250g或±500g）以及平坦頻率響應(yīng)（從直流到22kHz）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(dòng)檢測(cè)的低功耗解決方案。 享有ADI專(zhuān)利的第五代iMEMs工藝讓ADXL001加速度計(jì)擁有從±70g擴(kuò)展至±500g的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，且?guī)挒?2kHz。 AD8606是一款精密、低噪聲、雙通道運(yùn)算放大器，用于創(chuàng)建模擬雙四通道濾波器，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)字值。 圖1.單軸振動(dòng)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(cè)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(nèi)的任意電源電壓工作，但采用5V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3.3V電源時(shí)，標(biāo)稱(chēng)輸出靈敏度為16mV/g。采用5V電源時(shí)，靈敏度為24.2mV/g。 0g輸出電平亦為比例電平，標(biāo)稱(chēng)值為VDD/2。 只要1MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率上不存在噪聲，ADXL001就只需要一個(gè)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(cè)單元。圖2顯示其中一個(gè)差分傳感器單元模塊的簡(jiǎn)化圖。每個(gè)傳感器模塊均集成數(shù)個(gè)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(dòng)板組成。傳感器框架移位將改變差分電容。片內(nèi)電路測(cè)量電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓。 圖2.傳感器加速時(shí)的簡(jiǎn)化試圖 SOI器件層的傳感器經(jīng)過(guò)微加工處理。溝道隔離用于對(duì)差分檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)器件，向引腳8標(biāo)記處振動(dòng)時(shí)，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(jì)測(cè)得的加速度將根據(jù)該信息進(jìn)行數(shù)字化，無(wú)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(wú)需使用外部基準(zhǔn)電壓源。此外，整個(gè)電路與電源成比例，因?yàn)橥粋�(gè)VDD還用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(hào)頻率超過(guò)2kHz至3kHz左右時(shí)，加速度計(jì)中的增益會(huì)增加。波束為諧振頻率時(shí)(22kHz)，器件的輸出電壓大致存在7dB(×2.24)峰化。該峰化對(duì)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) 10kHz時(shí)，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(yù)計(jì)輸出電壓為： 2.5V+(0.0242×20)=2.984V 但是，該電壓會(huì)伴隨約2dB的峰化而增加，使實(shí)際輸出電壓為： 2dB=20log10(VOUT/2.984V) VOUT=3.757V 預(yù)計(jì)輸出電壓和實(shí)際輸出電壓之差會(huì)產(chǎn)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了模擬雙四通道濾波器對(duì)該誤差進(jìn)行校正。實(shí)現(xiàn)該濾波器的詳情在下文“濾波器設(shè)計(jì)”部分予以討論。 加速度計(jì)范圍縮小 必須注意，隨著加速度計(jì)的頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰化，器件的可用加速度范圍隨之縮小。20kHz時(shí)，考慮使用70g加速度。預(yù)計(jì)輸出電壓為： 2.5V+(24.2mV/g×70g)=4.194V 具有~7dB峰化效應(yīng)： 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(cè)量的最大g值將取決于振動(dòng)頻率。 必須允許±0.5V的額外裕量，因?yàn)?g失調(diào)電壓會(huì)有所變化。振動(dòng)頻率低于2kHz左右時(shí)，0g失調(diào)振動(dòng)將最大可用輸出電壓范圍限制為±1.8V，即相當(dāng)于大約±70g。 隨著振動(dòng)頻率從大約2kHz增加至22kHz，輸出達(dá)到飽和之前允許的最大g值以7dB(×2.24)步進(jìn)逐步下降至±31g。只要最大g值低于±31g，在22kHz范圍內(nèi)濾波器便具有平坦的頻率響應(yīng)，而無(wú)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(gè)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(22kHz)均可在ADXL001數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格表中找到。 通過(guò)創(chuàng)建22kHz時(shí)峰值約為-7dB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(dòng)測(cè)量更為簡(jiǎn)單。圖5顯示濾波器、加速度計(jì)和整個(gè)信號(hào)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) 陷波濾波器的設(shè)計(jì)參考《無(wú)源和有源網(wǎng)絡(luò)分析與頻率合成》中的示例電路，并對(duì)其進(jìn)行了修改。該書(shū)作者為Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13：978-0881336252）。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=22kHz，陷波深度=7dB。 測(cè)試結(jié)果 執(zhí)行兩個(gè)基本測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。首先，使用信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)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(yīng)如圖5所示，測(cè)量輸入和輸出電壓，繪出20log10(VOUT/VIN)圖形。 其次，驗(yàn)證整個(gè)信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)，確保設(shè)計(jì)的性能。為了更加精確地驗(yàn)證系統(tǒng)頻率響應(yīng)，使用信號(hào)發(fā)生器仿真ADXL001的輸出。 出于測(cè)試目的，仿真5g加速度信號(hào)，并在50kHz頻率范圍內(nèi)將其驅(qū)動(dòng)至濾波器。若ADXL001在敏感軸上承受±5g正弦加速度，則將會(huì)輸出相應(yīng)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(hào)發(fā)生器將該電壓驅(qū)動(dòng)至濾波器。使用示波器測(cè)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(duì)加速度計(jì)頻率響應(yīng)中的峰化，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓非常重要。對(duì)于10kHz頻率，信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓必須增加約1.8dB，以便精確表示加速度計(jì)在5g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。-3dB帶寬約為23kHz。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(duì)準(zhǔn)誤差，在造成滾降前，可在通帶中即時(shí)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2kHz正弦波，并直接與濾波器輸入相連。圖6為CN0303評(píng)估軟件顯示AD7476 ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并對(duì)數(shù)據(jù)繪圖的屏幕截圖。采樣速率為1MSPS。 圖6.CN0303評(píng)估軟件以1MSPS采樣速率數(shù)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(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(qǐng)參見(jiàn)MT-031指南；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見(jiàn)MT-101指南。 EVAL-ADXL001-70Z板通過(guò)柔性扁平電纜連接EVAL-CN0303-SDPZ電路板。這樣可讓用戶(hù)將EVAL-CN0303-SDPZ與可能導(dǎo)致電路板損壞的任何振動(dòng)相隔離（由機(jī)械應(yīng)力造成），同時(shí)允許用戶(hù)將ADXL001直接放置在振動(dòng)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(xiàn)應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線(xiàn)路上的毛刺效應(yīng)。時(shí)鐘和其它快速開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)應(yīng)通過(guò)數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開(kāi)。 有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱www.analog.com/CN0303-DesignSupport。 圖7.EVAL-CN0303-SDPZ照片 常見(jiàn)變化 如需獲得更為復(fù)雜的振動(dòng)檢測(cè)解決方案，可使用雙軸（ADXL2xx系列）或三軸（ADXL3xx系列）加速度計(jì)代替ADXL001。通過(guò)在第二或第三個(gè)空間維度測(cè)量加速度，用戶(hù)可編寫(xiě)自定義軟件，實(shí)現(xiàn)更為精確復(fù)雜的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 功能框圖 圖8顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。信號(hào)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(guò)扁平電纜連接EVAL-CN0303-SDPZ板的5引腳連接頭(J6)，測(cè)量實(shí)際振動(dòng)。 圖8.測(cè)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(píng)估板上的連接器。應(yīng)使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。 將EVAL-ADXL001-70Z評(píng)估板上的5引腳連接頭(P1)通過(guò)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(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。 測(cè)試 啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過(guò)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(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0303-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。 有關(guān)SDP板的信息，請(qǐng)參閱SDP用戶(hù)指南。 有關(guān)測(cè)試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱軟件的Readme文件：www.analog.com/CN0303-UserGuide。 |
