10 kHz MEMS加速度計(jì)，提供4 mA至20 mA輸出，適合狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用

電路功能與優(yōu)勢(shì)

狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)測(cè)性維護(hù)方式，其利用各種傳感器來(lái)評(píng)估設(shè)備隨時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)。收集的傳感器數(shù)據(jù)用于建立基線趨勢(shì)，從而幫助診斷甚至預(yù)測(cè)故障。與傳統(tǒng)的定期預(yù)防性維護(hù)模式相比，利用CbM可以在需要時(shí)進(jìn)行維護(hù)，時(shí)間和成本都能得到節(jié)省。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種常見(jiàn)類型的CbM測(cè)量。振動(dòng)趨勢(shì)的變化常常是反映磨損或其他故障模式的指標(biāo)。為了測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)，高帶寬（10 kHz或更高）、超低噪聲（100 μg/√Hz或更低）MEMS加速度計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)高效且可靠的選擇。

有些應(yīng)用將加速度計(jì)放在靠近支持電路的地方（位于同一電路板上，或位于板外并通過(guò)短電纜連接），而有些應(yīng)用則要求加速度計(jì)與支持電路隔開(kāi)一定距離，這會(huì)限制連接選擇。MEMS加速度計(jì)的輸出通常是模擬電壓和/或數(shù)字式（通常使用串行外設(shè)接口(SPI)或I2C），二者都不適合驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電纜。雖然可以轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字接口（如USB）、低壓數(shù)字信號(hào)(LVDS)或以太網(wǎng)，但額外的功耗、尺寸和成本使這種方案不切實(shí)際。

相比之下，模擬電流環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸（如4 mA至20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）具有良好的抗擾度、耐受電磁干擾(EMI)環(huán)境的魯棒性、高帶寬以及長(zhǎng)達(dá)20米的有線數(shù)據(jù)傳輸能力，同時(shí)電路板上只需使用幾個(gè)器件。此外，幾乎所有傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)都支持4 mA至20 mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，而且該標(biāo)準(zhǔn)很容易適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)4.0智能傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖1 EVAL-CN0533-EBZ簡(jiǎn)化電路圖

電路描述

圖1所示電路是一個(gè)MEMS加速度計(jì)振動(dòng)檢測(cè)解決方案的簡(jiǎn)化示意圖，其電壓輸出被轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的模擬信號(hào)。

4 mA至20 mA電流環(huán)路和接口

自1950年代以來(lái)，4 mA至20 mA電流環(huán)路一直是工業(yè)模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。該信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)幾乎無(wú)衰減，因而在工業(yè)和工廠等易產(chǎn)生EMI的環(huán)境中，其魯棒性更高。相反，如果使用電壓輸出，由于電纜有電阻，長(zhǎng)電纜（大于10米）會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)丟失和讀數(shù)不正確。

圖1所示的參考設(shè)計(jì)由單軸ADXL1002 MEMS加速度計(jì)組成，其模擬電壓輸出由AD5749電壓至電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。AD5749輸入(VIN)擺幅為0 V至4.096 V，而ADXL1002模擬輸出電壓(VOUT)擺幅為0 V至VDD，故VDD必須設(shè)置為4.096 V。因此，選擇LT6654AMPS6-4.096來(lái)提供4.096 V電壓，其在-55°C至125°C的溫度范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性為10 ppm/°C。在VOUT和VIN之間放置一個(gè)?3 dB帶寬為36 kHz的2極點(diǎn)RC低通濾波器。此濾波器用于限制寬帶噪聲并衰減來(lái)自ADXL1002內(nèi)部時(shí)鐘的200 kHz噪聲分量；根據(jù)應(yīng)用的DAQ電路的采樣速率和濾波特性，該噪聲可能會(huì)在帶內(nèi)混疊。

AD5749將ADXL1002電壓輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的電流輸出，對(duì)印刷電路板(PCB)尺寸的影響極小，并提供高達(dá)50 kHz的帶寬和良好的抗擾度。

市場(chǎng)上的許多4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器由電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組成，需要SPI或I2C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是獨(dú)立工作模式（硬件模式）。

在硬件模式下，HW_SELECT引腳設(shè)置為高電平。R0至R3和RSET引腳均接低電平，以將AD5749輸出范圍設(shè)置為4 mA至20 mA，這意味著無(wú)需外部微控制器來(lái)配置AD5749的輸出范圍。為了提高輸出電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，應(yīng)在REXT1和REXT2引腳之間連接一個(gè)外部低漂移電阻。

DAQ前端電路（未包括）僅需要一個(gè)電流至電壓(I-V)轉(zhuǎn)換放大器。互阻抗（I-V電阻）必須根據(jù)DAQ前端電路的輸入范圍設(shè)置。

圖2顯示了手動(dòng)搖動(dòng)時(shí)電路的電流輸出(IOUT)例子（黑線）。0 g水平對(duì)應(yīng)IOUT中間范圍，對(duì)于4 mA至20 mA配置，其為12 mA。滿量程范圍(FSR)也以灰色虛線突出顯示供參考。

圖2 響應(yīng)加速度輸入的電流輸出和加速度

MEMS振動(dòng)傳感器優(yōu)勢(shì)

ADXL1002 MEMS加速度計(jì)具有超低噪聲，噪聲譜密度為25 μg/√Hz，支持寬帶運(yùn)行，3 dB帶寬為11 kHz，傳感器諧振頻率為21 kHz。 ADXL1002在溫度靈敏度、直流至低頻響應(yīng)、相位響應(yīng)（因而群延遲）、耐沖擊性和恢復(fù)性方面具有卓越的性能，其噪聲水平和帶寬可與壓電傳感器媲美。

該傳感器的線性（±0.1% FSR內(nèi)）測(cè)量范圍為±50 g，足以支持各種CbM應(yīng)用。與常規(guī)壓電傳感器相比，易于焊接的LFCSP封裝使得很容易集成ADXL1002和周圍電路。

ADXL1002為CbM應(yīng)用提供一種低成本、高性能、具有出色長(zhǎng)期可靠性的傳感解決方案。這些獨(dú)有特性支持CbM解決方案普遍采用MEMS振動(dòng)傳感器，在向工業(yè)4.0邁進(jìn)的過(guò)程中拓寬智能技術(shù)的應(yīng)用范圍。

常見(jiàn)變化

根據(jù)應(yīng)用要求，CN-0533電路可以支持其他單軸電壓輸出MEMS加速度計(jì)，例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通濾波器的截止頻率根據(jù)傳感器諧振頻率加以選擇。

將5 V電源用于ADXL1002，并使用精密分壓器將輸出調(diào)整至4.096 V，然后輸入AD5749，該電路即可實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的頻譜噪聲水平。

電路評(píng)估與測(cè)試

以下幾節(jié)簡(jiǎn)要說(shuō)明如何設(shè)置電路和機(jī)械安裝、讀取輸出的方法以及期望的結(jié)果。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

●   一個(gè)4 mA至20 mA接收器（如National Instruments NI-9203）。請(qǐng)注意，可以用一個(gè)精確且溫度穩(wěn)定的電阻和一個(gè)電壓DAQ系統(tǒng)代替電流DAQ。電阻值必須根據(jù)DAQ的輸入電壓范圍確定。

●   電源（12 V至24 V）

●   EVAL-CN0533-EBZ板

●   EVAL-XLMOUNT1鋁制安裝模塊

●   振動(dòng)臺(tái)或振動(dòng)源

●   連接器和電纜

開(kāi)始使用

了解和重新創(chuàng)建測(cè)試設(shè)置的基本步驟如下：

1.將三根導(dǎo)線焊接到EVAL-CN0533-EBZ板的VCC、IOUT和GND焊盤。

2.將EVAL-XLMOUNT1牢固地安裝到振動(dòng)器或振動(dòng)平臺(tái)上。

3.將EVAL-CN0533-EBZ板安裝到EVAL-XLMOUNT1并注意靈敏度方向。

4.將VCC和GND連接至電源，將IOUT和GND連接至4 mA至20 mA接收器電路。

5.在DAQ或振動(dòng)測(cè)量設(shè)備上將加速度靈敏度設(shè)置為128 μA/g（ADXL1002的靈敏度可能因器件而略有不同；ADXL1002可以利用重力場(chǎng)或其他參考傳感器輕松校準(zhǔn)）。

電源配置

電路電源電壓范圍為12 V至55 V，最大電流消耗典型值為24 mA。

測(cè)試

為了驗(yàn)證電路在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用中的性能，該電路在ADI公司振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。由于振動(dòng)DAQ系統(tǒng)輸入均為電壓輸入，因此使用了一個(gè)50Ω溫度穩(wěn)定且高精度的電阻來(lái)閉合電流環(huán)路，并通過(guò)電阻的壓降來(lái)間接測(cè)量電路輸出。該電路通過(guò)頻率響應(yīng)、噪聲譜密度以及沖擊和群延遲來(lái)刻畫。每個(gè)測(cè)試的詳細(xì)信息和結(jié)果如下所述。

頻率響應(yīng)測(cè)量

EVAL-CN0533-EBZ連接到鋁塊安裝界面（EVAL-XLMOUNT1），并安裝到振動(dòng)臺(tái)上，如圖3所示。振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生100 Hz至30 kHz的受控機(jī)械振動(dòng)，并具有固定的2 g加速度幅度。然后記錄電路輸出和振動(dòng)參考（在這種情況下為激光多普勒振動(dòng)計(jì)）。繪制的頻率響應(yīng)如圖4所示，其與ADXL1002的轉(zhuǎn)換函數(shù)一致。

圖3 利用EVAL-XLMOUNT1將EVAL-CN0533-EBZ安裝到振動(dòng)臺(tái)上

圖4 頻率響應(yīng)

在這個(gè)及任何其他高頻振動(dòng)測(cè)試中，機(jī)械信號(hào)路徑的完整性很重要。換句話說(shuō)，從信號(hào)源到傳感器，振動(dòng)信號(hào)必須沒(méi)有衰減（由于阻尼）或放大（由于諧振）。在這個(gè)例子中，鋁塊(EVAL-XLMOUNT1)、四個(gè)螺釘安裝座和厚PCB保證了目標(biāo)頻率范圍內(nèi)機(jī)械響應(yīng)的平坦性。

噪聲譜密度

圖5顯示了傳感器在?40°C至+ 105°C的不同溫度水平下的噪聲密度特性。結(jié)果表明，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的噪聲密度變化比ADXL1002傳感器IC略大。噪聲密度升高的原因是，ADXL1002的電源電壓為4.096 V，而非5V。電源電壓的這種降低使頻譜噪聲密度增加約20%。選擇4.096 V電源作為AD5749基準(zhǔn)電壓(VREF)和ADXL1002輸出電壓(VOUT)的共同來(lái)源，因此不存在兩個(gè)電壓電平不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。

圖5 1 kHz時(shí)噪聲密度與溫度的關(guān)系

正弦波振動(dòng)響應(yīng)

圖6顯示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的數(shù)據(jù)集示例，激勵(lì)信號(hào)為10 kHz正弦振動(dòng)，幅度為10 g（紅色數(shù)據(jù)）。此測(cè)試中顯示的參考傳感器（圖6中的藍(lán)色數(shù)據(jù)）是激光多普勒振動(dòng)計(jì)的加速度測(cè)量。EVAL-CN0533-EBZ相對(duì)于振動(dòng)計(jì)的延遲約為20μs。

圖6 器件對(duì)10 g加速度正弦波激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)

沖擊測(cè)試

該電路還進(jìn)行了沖擊曲線測(cè)試（參見(jiàn)圖7）。沖擊峰值加速度為10 g，寬度為500μs，形狀為方波。請(qǐng)注意，ADXL1002 MEMS傳感器可以用欠阻尼二階系統(tǒng)建模，因此預(yù)期會(huì)有輸出振鈴。

在這種情況下，參考傳感器為壓電傳感器（353C23型），具有一個(gè)諧振頻率，特征群延遲為4 μs。請(qǐng)注意，參考傳感器輸出與ADXL1002的輸出之間存在約25 μs的相位差。因此，電路的總?cè)貉舆t約為21 μs。

圖7 10 g沖擊曲線