ADI公司电路笔记——适用于IEPE传感器的24位数据采集系统
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评估和设计支持 电路评估板 IEPE传感器DAQ测量板(EVAL-CN0540- ARDZ) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单、软件 电路功能与优势 图1所示的参考设计是一款高分辨率、宽带宽、高动态范围的、IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric)兼容接口数据采集(DAQ)系统，其与ICP® (IC Piezoelectric)/IEPE传感器接口。IEPE传感器最常用于振动测量应用，但也有很多IEPE传感器用于测量温度、应变、冲击和位移等参数。 本电路笔记聚焦于该解决方案的振动应用，尤其是状态监控领域，但仪器仪表和工业自动化领域也有大量应用以类似方式使用IEPE传感器，并且由类似的信号链提供服务。 具体而言，状态监控使用传感器信息来帮助预测机器状态的变化。跟踪机器状态的方法有很多，但振动分析是最常用的方法。通过跟踪振动随时间的分析数据，可以预测故障或失效以及故障源。 工业环境需要稳健可靠的检测方法，这给振动检测增加了难度。了解机器的状况有助于提高效率和生产率，并使工作环境更安全。 市场上大多数与压电传感器接口的解决方案都是交流耦合式，缺乏直流和亚赫兹测量能力。 CN-0540参考设计是一种直流耦合解决方案，可实现直流和亚赫兹精度。 通过查看IEPE振动传感器在频域(直流至50 kHz)中的完整数据集，并使用快速傅立叶变换(FFT)频谱中发现的谐波的位置、幅度和数量，可以更好地预测机器故障的类型和来源。 数据采集板为Arduino兼容外形尺寸，可以直接与大多数Arduino兼容开发板接口并由后者供电。 ADI公司的Circuits from the Lab®电路由ADI公司的工程师设计构建。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范，电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。然而，您需负责自行测试电路，并确定对您是否适用。因而，ADI公司将不对由任何原因、连接到任何所用参考电路上的任何物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。
图1.IEPE压电振动传感器的状态监控信号链 电路描述 图1所示电路是IEPE传感器的传感器到比特(数据采集)信号链，包括电流源、带数模转换器(DAC)的电平转换和衰减级、三阶抗混叠滤波器、模数转换器(ADC)驱动器及全差分Σ-Δ型ADC。 可编程电流源以恒定电流驱动压电加速度计。输出电流可通过外部电阻设置，根据传感器和电缆的类型，通常设置在2 mA和20 mA之间。 DAC的缓冲和放大输出以及电平转换运算放大器，将输入信号偏移至接近2.5 V共模电压(VCOM)，以平衡抗混叠滤波器的输入和全差分放大器(FDA)的输入。基准电压源将FDA供电轨的第二个输入设置为VCOM的2.5 V，确保满足输入裕量要求，并且输出是为驱动ADC而优化的全差分电压。 抗混叠滤波器将信号链的带宽设置为54 kHz。压电加速度计的带宽高达20 kHz，但就相位延迟而言，选择了更宽带宽的信号链，从而在3轴测量中实现更好的相位匹配性能。(进一步的带宽限制发生在ADC的数字滤波器中，但相位延迟是已知且确定的。) ICP/IEPE加速度计 任何IEPE振动传感器都可以与CN-0540参考设计接口，因为所有IEPE振动传感器都利用相同的原理工作，但具有不同的偏移电压、噪声电平、带宽和灵敏度。IEPE输出信号既携带交流电压，也携带直流电压，其中与振动相关的交流电压被直流转换到介于7 V和13 V之间的某个电压电平。此直流电平随传感器的不同而异，并且对于任何给定的传感器，它都有相对于时间、温度和励磁电流的漂移分量。 IEPE传感器必须由电压范围足够高的电流源供电，以完全覆盖传感器的幅度。IEPE传感器的典型激励电压为24V。 信号链的输入可以接收高达10 V p-p的信号幅度，偏移电压最高可达13 V。直流失调通过施加直流失调校正信号来消除，从而允许在任意低频下工作。
图2.ICP加速度计模块连接 图2显示了一个传感器的ICP加速度计框图，其由恒流源供电并连接到直流耦合信号链。传感器的最大带宽与激励电流成正比，与电缆电容成反比。选择恒定电流电平时，必须考虑传感器的最大期望输出电压和电缆类型，可通过下式确定：
其中： fMAX为传感器的最大频率，单位为Hz。 IC为恒定电流，单位为mA。 1 mA为传感器的功耗要求。 C为电缆电容，单位为pF。 V为传感器的最大峰值电压输出，单位为V。 注意在式1中，从提供给传感器的总电流(IC)中减去了1 mA，该近似1 mA电流是用于为传感器本身供电，而其余电流则用于驱动电缆。此数字因传感器而异。 例如，此参考设计使用PCB Piezotronics生产的333B52型ICP加速度计进行了测试，最大峰值输出为10 V，电缆长度为10英尺，电容为29 pF/英尺，激励电流为2.5 mA。应用式1，传感器的最大理论带宽为82.3 kHz。电缆和所选的电流水平均未限制传感器的性能。 恒流源 设计恒流源(CCS)和考虑噪声性能时应多加注意。低电流噪声至关重要，因为当驱动信号链的输入阻抗时，电流噪声会被转换为电压噪声。
图3.恒流源 图3显示了一个2端子电流源，其电阻RSET和ROUT将输出电流设置为2.5 mA，电容CSET限制电流噪声的带宽。LT3092的内部10μA基准电流源使RSET两端保持稳定的VSET。VSET镜像到ROUT两端，根据式2设置输出电流。
请注意，由于内部基准电流从SET端子流出，因此实际的IOUT电流比式3给出的输出电流要大10μA。 数据手册建议RSET = 20kΩ，以将RSET两端的压降设置为200 mV，使失调电压的影响最小。(在较小的VSET上，失调电压更为明显。)电阻产生的白电流噪声由式3给出。
其中： T为绝对温度，单位为K。 k为玻耳兹曼常数(J/K)。 R为电阻。 电阻电流噪声与电阻倒数的平方根成正比，因此将RSET的值从建议的20 kΩ增加到120 kΩ时，ROUT也需要成比例地增加(而输出电流保持在相同水平)，导致整体噪声电流下降。建议在RSET两端接一个电容CSET，用以降低RSET和LT3092内部电流基准的电流噪声。CSET电容旁路LT3092产生的电流噪声。 如图3所示，对恒流源进行了LTspice仿真，以优化元件值和布局依赖性。为了仿真Keysight E3631台式电源(其两路输出串联连接，总电压设置为26V)，我们建模了一个非理想电压源，其在20 MHz带宽内具有0.7 mV rms的电压噪声和224 nA rms的电流噪声。 表1列出了不同元件值组合的均方根噪声。均方根电流噪声针对1 mHz至100 kHz的带宽进行了仿真。CCOMP的作用类似于高通滤波器，将噪声从电压源传递到输出。进一步增加RSET和ROUT有助于降低电流噪声，但也会导致电阻上的压降更高，从而降低容许的信号摆幅。 表1.降低LT3092电流噪声
当使用具有高电感的长电缆时，稳定性可能成为问题。有关补偿感性负载的更多信息，请参阅LT3092数据手册。 要计算电流源提供的可用传感器激励电压，请使用下式：
其中： VDD为恒流源的电源电压。 LT3092DROP为IC本身的压差(负载电流最高10 mA时，其通常为1.2 V)。 RSET×10μA给出电阻上的压差，其设置输出电流电平，内部10μA电流流过电阻。 |
