Circuit idea # 用于 IEPE 傳感器的 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參考電路

ADI 公司發(fā)布的電路筆記 CN-0540，介紹了用于 IEPE 傳感器的 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參考設(shè)計，涵蓋電路功能、設(shè)計細節(jié)、性能測試等方面，為相關(guān)領(lǐng)域工程師提供設(shè)計參考。

*附件：用于 IEPE 傳感器的 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).pdf

電路功能與優(yōu)點

圖 1 所示的參考設(shè)計顯示了一個高分辨率、寬帶寬、高動態(tài)范圍、兼容集成電子壓電 （IEPE） 的接口數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 系統(tǒng)，該系統(tǒng)與 IC 壓電 （ICP）/IEPE 傳感器連接。最常見的 IEPE 傳感器通常用于測量振動的應(yīng)用，但也有許多 IEPE 傳感器用于測量溫度、應(yīng)變、沖擊和位移等參數(shù)。^?^

本電路筆記的重點是該解決方案在振動應(yīng)用中的應(yīng)用，特別是在基于狀態(tài)的監(jiān)控領(lǐng)域，但在儀器儀表和工業(yè)自動化中，有大量應(yīng)用以類似的方式使用 IEPE 傳感器，并由類似的信號鏈提供服務(wù)。

特別是基于狀態(tài)的監(jiān)控，它使用傳感器信息來幫助預(yù)測機器狀態(tài)的變化。跟蹤機器狀態(tài)的方法有很多，但振動分析是最常用的方法。通過跟蹤一段時間內(nèi)的振動分析數(shù)據(jù)，可以預(yù)測故障或故障以及故障的來源。

由于需要穩(wěn)健可靠的傳感方法，工業(yè)環(huán)境中的振動傳感增加了額外的挑戰(zhàn)。了解機器的狀況有助于提高效率和生產(chǎn)力，并創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。

市場上大多數(shù)與壓電傳感器接口的解決方案都是交流耦合的，缺乏直流和亞赫茲測量功能。CN-0540 參考設(shè)計是一種直流耦合解決方案，可實現(xiàn)直流和亞赫茲精度。

通過查看 IEPE 振動傳感器在頻域（直流至 50 kHz）中的完整數(shù)據(jù)集，可以使用快速傅里葉變換 （FFT） 頻譜中發(fā)現(xiàn)的諧波的位置、幅度和數(shù)量更好地預(yù)測機器故障的類型和來源。

數(shù)據(jù)采集板是 Arduino 兼容的外形尺寸，可以直接由大多數(shù) Arduino 兼容開發(fā)板連接和供電。

1. 電路功能與優(yōu)勢 ：設(shè)計了高分辨率、寬帶寬、高動態(tài)范圍的 IEPE 兼容接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可連接多種 IEPE 傳感器，用于振動、溫度等參數(shù)測量。該系統(tǒng)采用直流耦合，能實現(xiàn)直流和亞赫茲精度測量，有助于更好地預(yù)測機器故障。數(shù)據(jù)采集板與 Arduino 兼容，便于集成。
2. 電路設(shè)計細節(jié)
   • 恒流源 ：采用 LT3092 驅(qū)動壓電加速度計，輸出電流可通過外部電阻編程，典型范圍 2-20mA。設(shè)計時需考慮噪聲性能，通過調(diào)整電阻和電容值降低電流噪聲。
   • 輸入保護 ：ADG5421F 開關(guān)可檢測過壓和開路情況，保護 DAQ 系統(tǒng)。當輸入信號超范圍，開關(guān)斷開傳感器與采集系統(tǒng)連接，并輸出故障標志。
   • 電壓電平轉(zhuǎn)換 ：采用反相電壓電平轉(zhuǎn)換拓撲，可容忍 13V 傳感器偏移電壓和 10Vp-p 信號擺幅。通過計算確定轉(zhuǎn)換電壓，選擇合適的電阻比，兼顧輸入阻抗、噪聲和 ADC 輸入要求。
   • 直流偏置補償 ：采用自定義逐次逼近算法去除 IEPE 傳感器直流偏置。通過 DAC-ADC 循環(huán)調(diào)整輸入電壓，使其接近 2.5V 共模電壓，提高測量精度和動態(tài)范圍。
   • 電平轉(zhuǎn)換 DAC ：選用 16 位 LTC2606 DAC，配合外部緩沖器實現(xiàn) 0-5V 轉(zhuǎn)換范圍，降低輸出電壓噪聲。計算了 DAC 的 LSB 及等效 LSB 大小，分析了其對系統(tǒng)精度的影響。
   • 抗混疊濾波器和 FDA ：采用差分多反饋低通結(jié)構(gòu)，截止頻率 54kHz，增益 2.667。濾波器可抑制高頻噪聲，提高信噪比，滿足壓電加速度計帶寬要求。
   • 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ：使用 AD7768-1 24 位 Σ-Δ ADC，具有寬頻帶精度、低功耗等優(yōu)點。介紹了其輸出數(shù)據(jù)率計算方法及默認配置，用戶可根據(jù)需求調(diào)整寄存器設(shè)置。
3. 系統(tǒng)性能測試
   • 噪聲性能 ：測量了不同場景下信號鏈噪聲，包括無傳感器和接入 1kΩ 負載電阻情況。分析了恒流源對噪聲的影響，以及不同 ADC 設(shè)置下的噪聲和動態(tài)范圍。
   • 線性度 ：系統(tǒng)線性度良好，直流線性度（INL）在 ±10ppm 以內(nèi)，總諧波失真（THD）隨溫度變化穩(wěn)定，確保測量結(jié)果可靠。
   • 交流與直流耦合對比 ：直流耦合可保留信號直流分量，適用于低頻測量；交流耦合通過插入電容實現(xiàn)高通響應(yīng)，雖動態(tài)范圍高，但低頻振動測量靈敏度降低。
   • 系統(tǒng)功耗 ：提供單一 3.3V 供電的電源解決方案，生成 3.3V、5V 和 26V 電壓域。測量了不同 ADC 工作模式下系統(tǒng)功耗，分析了影響功耗的寄存器設(shè)置。
4. 電路評估與測試 ：介紹了測試所需設(shè)備，包括參考設(shè)計板、FPGA、信號源等。詳細說明了測試步驟，如連接硬件、配置軟件、設(shè)置信號源等，并展示了典型測試結(jié)果，包括時域和頻域數(shù)據(jù)。
   
5. 常見變化與擴展 ：針對更高通道數(shù)系統(tǒng)，推薦使用 AD7768、AD7768-4 等多通道 ADC；還介紹了其他可替代的信號鏈組件，工程師可根據(jù)性能、尺寸和成本選擇。