适用于IEPE传感器的24位数据采集系统

如图1所示，使用了基准电压为2.5 V的基准电压芯片(ADR441A)，确保V_COM稳定。此基准电压IC具有很高的温度漂移特性，在-25°C至+ 85°C的温度范围内，电压变化值为2.75 mV。此变化乘以2.667的FDA增益，导致ADC检测到7.33 mV的总温度漂移，该漂移随后由DAC予以补偿。

每次输入电压或VCOM发生变化时（VCOM仅因温度漂移而变化），DAC都会反向补偿该变化。在这种情况下，仅VCOM发生变化，输入偏置则保持稳定。ADR441A的电压漂移占主导地位，这可以从图8看出，其形状与ADR441A的电压漂移曲线相反。在指定温度范围内，数字码的总变化为32 LSB。

DAC缓冲器

DAC的内部缓冲器会限制电压噪声，必须进行滤波。由于DAC与ADC共享4.096 V基准电压，因此DAC输出也必须放大以提供0 V至5V。

图9 带缓冲器的DAC

图9显示了采用低通Sallen-key滤波器结构且具有增益输出的电平转换DAC。滤波器的截止频率通过下式设置为大约100 Hz的较低值：

由于对Sallen-key滤波器拓扑应用了一个增益，因此必须考虑滤波器的稳定性。否则，缓冲器很可能会变成振荡器。另一个与稳定性相关的因素是滤波器质量(Q)，此模块必须加以考虑。Q因子应保持足够低的值（小于0.707），以确保频率响应在截止频率处没有峰化，滚降具有较和缓的斜率，而且开始频率显著早于截止频率。低Q因子适合于需要在整个频率范围内具有高线性度的应用。注意，只要Q因子变为负值，结构便变得不稳定。使用下式确定Q因子：

其中k为Sallen-key拓扑的增益，如下所示：

对于图9所示的值，截止频率为102 Hz，k为1.215，Q为0.27，稳定性和平滑滚降均有保证。

我们比较了有缓冲器和无缓冲器的DAC转换模块的噪声性能。请注意，用于该测量的信号链在输入短路时具有12.3μV rms的噪声和108.2 dB的动态范围。该均方根噪声是在64 kHz带宽下测得的。

表3显示了输出电压如何随DAC码变化。DAC输出以渐进方式设置：从零到四分之一量程、半量程，最终达到四分之三量程。在最坏情况下，DAC转换模块的噪声贡献仅为1.3μV rms。

表3 ADC测得的DAC输出的噪声比较

抗混叠滤波器和FDA

抗混叠滤波器和FDA使用差分多反馈低通结构，并将单端信号转换为差分信号。抗混叠滤波器的截止频率设置为54 kHz，这比大多数压电加速度计的带宽要宽。该滤波器在2.3 MHz时提供−80 dB的阻带抑制。

此级的增益设置为2.667，以便通过提升输入幅度来更紧密地匹配ADC输入的±VREF范围，从而改善SNR。FDA也会放大宽带噪声，但由于抗混叠滤波器会限制宽带噪声，因此性能的降低小于信号增益带来的改善。

模数转换

AD7768-1是一款精密、单通道、24位Σ-Δ型ADC，选择这款器件的原因是它具有出色的DC至204 kHz带宽精度、低功耗、108.5 dB（典型值）动态范围和−120 dB THD。

使用式17计算ADC的输出数据速率：

其中：

MCLK为主时钟。

MCLKDIV为主时钟分频器系数。

FILTEROSR为所选数字滤波器的过采样率(OSR)。

时钟分频器和滤波器OSR是寄存器设置，可以通过SPI总线进行更改。有限脉冲响应(FIR)和SINC5滤波器的OSR是在AD7768-1的寄存器映射中严格设置。用户可以使用下式将特定值写入13位SINC3抽取率寄存器，从而将SINC3滤波器设置为自己偏好的OSR并更改输出数据速率：

其中，ODR为所需的输出数据速率，单位为Hz；213 为SINC3寄存器可接受的最大值。例如，对于4 Hz输出数据速率、16.384 MHz MCLK及低功耗模式(MCLK/16)，SINC3寄存器值为7999。

此参考设计的默认设置针对32 kHz的ADC测量带宽进行了优化，如下所示：

●   功耗模式：低功耗模式

●   MCLK分频器：16

●   滤波器类型：FIR

●   滤波器抽取率：32

●   输入预充电缓冲器：使能

●   基准电压缓冲器：使能预充电

●   VCM引脚输出：(AVDD1 − AVSS)/2

●   转换长度：24位

●   转换模式：连续

●   校验和：无校验和

●   数据读取模式：连续

●   状态位：禁用

●   DRDY信号：使能

针对低功耗、高要求的应用，两个缓冲器均可关闭。但是，缓冲器保持开启可改善整体THD和SNR。

表4 针对不同带宽的建议ADC设置

表5 信号链噪声测量

¹低纹波FIR滤波器带宽 = 0.433×ODR。

信号链的实测性能

该信号链设计针对的是中等到更宽带宽的振动检测，较高的谐波和高于1 kHz的频率成分很重要。设计必须权衡系统带宽、线性度和可实现的噪声性能。选择较高的输入阻抗以保持信号精度（线性度），在此设计中它决定了最大噪声性能极限。信号带宽也被设置得较宽，以保持系统在较高频率下的响应。使用带宽较窄的设计可以实现更低噪声解决方案，消除更多的宽带噪声。

CN-0540将模拟输入带宽设置为54 kHz，但实际信号带宽由ADC配置决定。

噪声

在几种不同情况下对整个信号链的噪声性能进行了测量。

表5详细列出了未连接任何传感器时和添加1 kΩ负载电阻时信号链的典型噪声性能。在信号链输入端连接1 kΩ电阻的结果表明，恒定电流源会影响噪声性能。电流噪声转换为电压噪声，乘以1 kΩ电阻，导致系统噪声升高。

图10显示了输入短路的系统的典型FFT图。图11显示了输入短路的直流耦合解决方案在整个温度范围内的动态范围。

图10 输入短路的直流耦合解决方案的FFT，DAC输出为半量程

图11 输入短路的直流耦合解决方案在整个温度范围内的动态范围

传感器噪声贡献

数据采集系统设计人员的常见目的是尽可能准确地捕获传感器输出信号。这在实践中意味着，系统性能应该由传感器特性设置。传感器的噪声性能常常是整体测量系统的关键限制因素之一，了解这一点有助于确定设计的性能要求。

此设计的目标是支持传感器以在大于1 kHz的带宽提供振动数据，这些传感器用于状态监控应用的数据采集系统，以对旋转式或往复式工厂设备进行预测性维护。

表6详细列出了少量振动传感器的性能水平和带宽。传感器选择的主要考虑因素通常是带宽、范围、噪声频谱密度(NSD)和功耗。

ADXL1002和ADXL1004传感器是低功耗器件，适用于功耗和带宽至关重要的各种振动应用。这些加速度计适合于连续监控应用，例如物联网(IoT)机器监控。

如需最高灵敏度和带宽（较高频率下的低噪声和灵敏度至关重要），压电传感器仍然是最适合使用的传感器。由于AD7768-1具有宽带宽和低噪声特性，因此该信号链可在超过10 kHz的较宽带宽范围内匹配典型传感器的性能水平。

对于CN-0540，系统带宽设置为54 kHz，信号链噪声性能针对的是可以在该带宽上实现>100 dB动态范围的传感器。例如，Piezotronics PCB 621B40型加速度计在30 kHz时可实现近105 dB的动态范围。

通过调整各级的电阻值和增益，并且利用AD7768-1的较高过采样模式，该电路可适用于动态范围更高、带宽更窄的传感器。完整的分析超出了本文的范围，但AD7768-1数据手册中提供了有关使用过采样时权衡动态范围和带宽的更多信息。

表6 传感器及相应的噪声密度测量结果

线性度

传感器测量系统的线性度对于确保测量结果不会因传感器输出变化而变化至关重要。测量系统的精度不应随输出偏置电压或传感器信号幅度变化而变化。理想情况下，当测量系统的温度发生变化时，精度也应保持不变。

CN-0540被设计为尽可能线性，并在整个温度范围内保持该线性度，因此对测量信号链的校准需求不多。系统对直流输入电压变化的非线性被报告为INL误差。系统对正弦波输入的非线性被报告为THD误差。

图12和图13中的数据表明：在宽输入电压范围内，直流线性度(INL)在±10 ppm以内；在宽温度范围内，INL和THD均相对平坦。

图12 不同温度下INL与输入电压的关系

图13 THD与温度的关系

交流与直流耦合解决方案

CN-0540针对的是直流耦合应用场景，其中必须保留信号的直流分量，或者必须将系统的响应保持到低于1 Hz或更低的频率。因此，该系统设计用于处理IEPE传感器的大直流偏置。

但是，某些系统可能不需要低至DC的响应，在这些情况下，交流耦合输入通道是可接受的。

两种解决方案的主要区别在于信号链的复杂性以及直流和低频时的精度。交流耦合解决方案的复杂度较低，但在低频时精度不高。

用户可以插入一个耦合电容与输入电阻串联，使该设计适应交流耦合设计。如需更多信息，请参阅设计支持包中的原理图文件。

插入耦合电容的效果是将输入响应变为高通响应，在这种情况下，通常选择远小于10 Hz的极点频率。此滤波器不仅阻隔直流偏置电流，而且会消除一些1/f噪声。交流耦合系统的动态范围似乎高于直流耦合版本，但这仅仅是由于消除了低频噪声。这样做的代价是对低频振动测量数据的灵敏度降低。

由于DAC输出以及信号链输入端缺少高通滤波器，直流耦合解决方案的噪声预期也会更高。图14显示了CN-0540交流耦合时的响应，其高通截止频率为1 Hz。测量条件如下：信号链的输入短路，使能恒流源，ADC处于低功耗模式，MCLK/16，FIR滤波器抽取率为32，直流耦合测量。

图14 输入短路的交流耦合解决方案的FFT

如果实施交流耦合解决方案，则必须选择正确的电容类型以获得最佳性能。一般而言，陶瓷电容会因为压电效应而产生噪声，因为电压系数（相对介电常数随施加的电压而变化）和电介质吸收而产生非线性。钽电容可提供合理的性能，并且可制造出宽范围的电容值，最高可达数百μF。在交流耦合情况下，钽电容可以实现的THD性能水平与直流耦合系统相似，但频率须高于10 Hz。为了准确表示更低频振动，最好选择直流耦合版本。

系统电源

CN-0540带有一个最优电源解决方案，支持通过3.3 V单电源轨为整个信号链供电。

电源解决方案

图15显示了CN-0540电源部分的简化框图。为了与具有Arduino样式连接的微控制器和其他开发板兼容，该板的电源解决方案设计为采用3.3 V单电源（通常由Arduino兼容板提供）供电。

为了确保系统的稳定性，微控制器板应能通过3.3 V电源向振动监控板供应至少250 mA的电流。这不算微控制器板本身从该电源获取的电源电流。

虽然CN-0540评估板在稳态工作时不需要250 mA电流，但在初始上电阶段，可能有高达200 mA或更高的浪涌电流并持续最长30 ms。如果微控制器板无法承受此电流，可能导致微控制器板上发生复位。如果发生意外复位，请检查微控制器板的电流输出规格。

图15 电源部分框图

电源解决方案包括三个电压域：3.3 V域、5 V域和26 V域。它还包括用于IEPE传感器的2.5 mA电流源。

Arduino兼容板提供CN-0540直接使用的IOREF电源，因此不需要电源解决方案。IOREF为AD7768-1 (IOVDD)提供数字接口电源，并为16.384 MHz主时钟源供电。

CN-0540与低至1.8 V的IOREF电压兼容，因此CN-0540板可连接至逻辑电平较低的微控制器板。

所提供的电源解决方案电路的目的是让CN-0540板可以从单个低压电源（通常由微控制器板提供）供电，并从该电源生成其他所需的电压轨。在CN-0540上，原始3.3 V输入供电轨直接用于为AD7768-1提供数字接口逻辑电源（AVDD2电源），而且还为DC-DC级提供电源，从而将电压提升至5 V和26 V。

第一个DC-DC级将3.3 V升压至7 V，然后通过LTC3459和ADP7118器件组合调节至5 V，以提供AD7768-1、LTC2606和ADR4540基准电压源以及相关放大器级所需的干净供电轨。

第二个DC-DC级将3.3 V升压至28 V，然后通过LT3494和LT3008器件组合调节至26 V。这个干净的26 V电源轨用于为LT3092电流源供电，从而为IEPE传感器提供2.5 mA电流和高达26 V的电压。