與ADC接口 - 帶頻率響應(yīng)補(bǔ)償?shù)腗EMS振動(dòng)分析儀電路圖

　　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0 V至VDD （5 V）。 ADXL001輸出電壓范圍為0.2 V至VS ? 0.2 V （4.8 V）。任何加速度計(jì)測得的加速度將根據(jù)該信息進(jìn)行數(shù)字化，無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2 kHz至3 kHz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)（22 kHz），器件的輸出電壓大致存在7 dB （×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)

　　10 kHz時(shí)，考慮使用20 g加速度。假定0 g輸出電壓為2.5 V，且靈敏度為24.2 mV/g，則預(yù)計(jì)輸出電壓為：

　　2.5 V + （0.0242 × 20） = 2.984 V

　　但是，該電壓會(huì)伴隨約2 dB的峰化而增加，使實(shí)際輸出電壓為：

　　2 dB = 20 log10 （VOUT /2.984 V）

　　VOUT = 3.757 V

　　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 = 3.757 V – 2.984 V = 0.773 V

　　校正此誤差以保證精度很重要，并且專門設(shè)計(jì)了模擬雙二階濾波器對(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。20 kHz時(shí)，考慮使用70 g加速度。預(yù)計(jì)輸出電壓為：

　　2.5 V + （24.2mV/g × 70 g） = 4.194 V

　　具有~7dB峰化效應(yīng)：

　　7 dB = 20 log10 （VUT /4.194V）

　　VOUT = 9.389 V

　　由于ADXL001供電軌為5 V，輸出將限制為大約+0.2 V和+4.8 V。因此，可測量的最大g值將取決于振動(dòng)頻率。

　　必須允許±0.5 V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2 kHz左右時(shí)，0 g失調(diào)振動(dòng)將最大可用輸出電壓范圍限制為±1.8 V，即相當(dāng)于大約±70 g。

　　隨著振動(dòng)頻率從大約2 kHz增加至22 kHz，輸出達(dá)到飽和之前允許的最大g值以7 dB （×2.24）步進(jìn)逐步下降至±31 g。只要最大g值低于±31 g，在22 kHz范圍內(nèi)濾波器便具有平坦的頻率響應(yīng)，而無飽和或信息丟失。

　　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（22 kHz）均可在ADXL001數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格表中找到。

　　通過創(chuàng)建22 kHz時(shí)峰值約為?7 dB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)測量更為簡單。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。該書作者為Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13：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 = 22 kHz，陷波深度 = 7 dB。