Circuit idea # 用于 IEPE 传感器的 24 位数据采集系统参考电路

eeDesigner 2025-02-08 928

描述

ADI 公司发布的电路笔记 CN-0540，介绍了用于 IEPE 传感器的 24 位数据采集系统参考设计，涵盖电路功能、设计细节、性能测试等方面，为相关领域工程师提供设计参考。

*附件：用于 IEPE 传感器的 24 位数据采集系统.pdf

电路功能与优点

图 1 所示的参考设计显示了一个高分辨率、宽带宽、高动态范围、兼容集成电子压电（IEPE）的接口数据采集（DAQ）系统，该系统与 IC 压电（ICP）/IEPE 传感器连接。最常见的 IEPE 传感器通常用于测量振动的应用，但也有许多 IEPE 传感器用于测量温度、应变、冲击和位移等参数。^®^

本电路笔记的重点是该解决方案在振动应用中的应用，特别是在基于状态的监控领域，但在仪器仪表和工业自动化中，有大量应用以类似的方式使用 IEPE 传感器，并由类似的信号链提供服务。

特别是基于状态的监控，它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。通过跟踪一段时间内的振动分析数据，可以预测故障或故障以及故障的来源。

由于需要稳健可靠的传感方法，工业环境中的振动传感增加了额外的挑战。了解机器的状况有助于提高效率和生产力，并创造更安全的工作环境。

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的，缺乏直流和亚赫兹测量功能。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，可以使用快速傅里叶变换（FFT）频谱中发现的谐波的位置、幅度和数量更好地预测机器故障的类型和来源。

数据采集板是 Arduino 兼容的外形尺寸，可以直接由大多数 Arduino 兼容开发板连接和供电。

电路功能与优势 ：设计了高分辨率、宽带宽、高动态范围的 IEPE 兼容接口数据采集系统，可连接多种 IEPE 传感器，用于振动、温度等参数测量。该系统采用直流耦合，能实现直流和亚赫兹精度测量，有助于更好地预测机器故障。数据采集板与 Arduino 兼容，便于集成。
电路设计细节
- 恒流源 ：采用 LT3092 驱动压电加速度计，输出电流可通过外部电阻编程，典型范围 2-20mA。设计时需考虑噪声性能，通过调整电阻和电容值降低电流噪声。
- 输入保护 ：ADG5421F 开关可检测过压和开路情况，保护 DAQ 系统。当输入信号超范围，开关断开传感器与采集系统连接，并输出故障标志。
- 电压电平转换 ：采用反相电压电平转换拓扑，可容忍 13V 传感器偏移电压和 10Vp-p 信号摆幅。通过计算确定转换电压，选择合适的电阻比，兼顾输入阻抗、噪声和 ADC 输入要求。
- 直流偏置补偿 ：采用自定义逐次逼近算法去除 IEPE 传感器直流偏置。通过 DAC-ADC 循环调整输入电压，使其接近 2.5V 共模电压，提高测量精度和动态范围。
- 电平转换 DAC ：选用 16 位 LTC2606 DAC，配合外部缓冲器实现 0-5V 转换范围，降低输出电压噪声。计算了 DAC 的 LSB 及等效 LSB 大小，分析了其对系统精度的影响。
- 抗混叠滤波器和 FDA ：采用差分多反馈低通结构，截止频率 54kHz，增益 2.667。滤波器可抑制高频噪声，提高信噪比，满足压电加速度计带宽要求。
- 模数转换 ：使用 AD7768-1 24 位 Σ-Δ ADC，具有宽频带精度、低功耗等优点。介绍了其输出数据率计算方法及默认配置，用户可根据需求调整寄存器设置。
系统性能测试
- 噪声性能 ：测量了不同场景下信号链噪声，包括无传感器和接入 1kΩ 负载电阻情况。分析了恒流源对噪声的影响，以及不同 ADC 设置下的噪声和动态范围。
- 线性度 ：系统线性度良好，直流线性度（INL）在 ±10ppm 以内，总谐波失真（THD）随温度变化稳定，确保测量结果可靠。
- 交流与直流耦合对比 ：直流耦合可保留信号直流分量，适用于低频测量；交流耦合通过插入电容实现高通响应，虽动态范围高，但低频振动测量灵敏度降低。
- 系统功耗 ：提供单一 3.3V 供电的电源解决方案，生成 3.3V、5V 和 26V 电压域。测量了不同 ADC 工作模式下系统功耗，分析了影响功耗的寄存器设置。
电路评估与测试 ：介绍了测试所需设备，包括参考设计板、FPGA、信号源等。详细说明了测试步骤，如连接硬件、配置软件、设置信号源等，并展示了典型测试结果，包括时域和频域数据。
常见变化与扩展 ：针对更高通道数系统，推荐使用 AD7768、AD7768-4 等多通道 ADC；还介绍了其他可替代的信号链组件，工程师可根据性能、尺寸和成本选择。

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