10 kHz MEMS加速度計，提供4 mA至20 mA輸出，適合狀態監控應用

電路功能與優勢

狀態監控(CbM)是一種預測性維護方式，其利用各種傳感器來評估設備隨時間的運行狀態。收集的傳感器數據用于建立基線趨勢，從而幫助診斷甚至預測故障。與傳統的定期預防性維護模式相比，利用CbM可以在需要時進行維護，時間和成本都能得到節省。

振動監測是一種常見類型的CbM測量。振動趨勢的變化常常是反映磨損或其他故障模式的指標。為了測量振動數據，高帶寬（10 kHz或更高）、超低噪聲（100 μg/√Hz或更低）MEMS加速度計是一種經濟高效且可靠的選擇。

有些應用將加速度計放在靠近支持電路的地方（位于同一電路板上，或位于板外并通過短電纜連接），而有些應用則要求加速度計與支持電路隔開一定距離，這會限制連接選擇。MEMS加速度計的輸出通常是模擬電壓和/或數字式（通常使用串行外設接口(SPI)或I²C），二者都不適合驅動長電纜。雖然可以轉換為高速數字接口（如USB）、低壓數字信號(LVDS)或以太網，但額外的功耗、尺寸和成本使這種方案不切實際。

相比之下，模擬電流環路數據傳輸（如4 mA至20 mA工業標準）具有良好的抗擾度、耐受電磁干擾(EMI)環境的魯棒性、高帶寬以及長達20米的有線數據傳輸能力，同時電路板上只需使用幾個器件。此外，幾乎所有傳統工業數據采集(DAQ)系統都支持4 mA至20 mA信號標準，而且該標準很容易適應現代工業4.0智能傳感器節點。

圖1.EVAL-CN0533-EBZ簡化電路圖

電路描述

圖1所示電路是一個MEMS加速度計振動檢測解決方案的簡化示意圖，其電壓輸出被轉換為4 mA至20 mA的模擬信號。

4 mA至20 mA電流環路和接口

自1950年代以來，4 mA至20 mA電流環路一直是工業模擬信號標準。該信號標準的主要優點是信號經長電纜傳輸時幾乎無衰減，因而在工業和工廠等易產生EMI的環境中，其魯棒性更高。相反，如果使用電壓輸出，由于電纜有電阻，長電纜（大于10米）會產生壓降，導致傳感器數據丟失和讀數不正確。

圖1所示的參考設計由單軸ADXL1002 MEMS加速度計組成，其模擬電壓輸出由AD5749電壓至電流轉換器轉換為4 mA至20 mA信號標準。AD5749輸入(V_IN)擺幅為0 V至4.096 V，而ADXL1002模擬輸出電壓(V_OUT)擺幅為0 V至V_DD，故V_DD必須設置為4.096 V。因此，選擇LT6654AMPS6-4.096來提供4.096 V電壓，其在-55°C至125°C的溫度范圍內的溫度穩定性為10 ppm/°C。在V_OUT和V_IN之間放置一個?3 dB帶寬為36 kHz的2極點RC低通濾波器。此濾波器用于限制寬帶噪聲并衰減來自ADXL1002內部時鐘的200 kHz噪聲分量；根據應用的DAQ電路的采樣速率和濾波特性，該噪聲可能會在帶內混疊。

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

市場上的許多4 mA至20 mA驅動器由電流輸出數模轉換器(DAC)組成，需要SPI或I²C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驅動器還有一個優勢，那就是獨立工作模式（硬件模式）。

在硬件模式下，HW_SELECT引腳設置為高電平。R0至R3和RSET引腳均接低電平，以將AD5749輸出范圍設置為4 mA至20 mA，這意味著無需外部微控制器來配置AD5749的輸出范圍。為了提高輸出電流在整個溫度范圍內的穩定性，應在REXT1和REXT2引腳之間連接一個外部低漂移電阻。

DAQ前端電路（未包括）僅需要一個電流至電壓(I-V)轉換放大器。互阻抗（I-V電阻）必須根據DAQ前端電路的輸入范圍設置。

圖2顯示了手動搖動時電路的電流輸出(I_OUT)例子（黑線）。0 g水平對應I_OUT中間范圍，對于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.響應加速度輸入的電流輸出和加速度

MEMS振動傳感器優勢

ADXL1002 MEMS加速度計具有超低噪聲，噪聲譜密度為25 μg/√Hz，支持寬帶運行，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、相位響應（因而群延遲）、耐沖擊性和恢復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）測量范圍為±50 g，足以支持各種CbM應用。與常規壓電傳感器相比，易于焊接的LFCSP封裝使得很容易集成ADXL1002和周圍電路。

ADXL1002為CbM應用提供一種低成本、高性能、具有出色長期可靠性的傳感解決方案。這些獨有特性支持CbM解決方案普遍采用MEMS振動傳感器，在向工業4.0邁進的過程中拓寬智能技術的應用范圍。

常見變化

根據應用要求，CN-0533電路可以支持其他單軸電壓輸出MEMS加速度計，例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通濾波器的截止頻率根據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整至4.096 V，然后輸入AD5749，該電路即可實現加速度計數據手冊所述的頻譜噪聲水平。

電路評估與測試

以下幾節簡要說明如何設置電路和機械安裝、讀取輸出的方法以及期望的結果。

設備要求

需要以下設備：

? 一個4 mA至20 mA接收器（如National Instruments NI-9203）。請注意，可以用一個精確且溫度穩定的電阻和一個電壓DAQ系統代替電流DAQ。電阻值必須根據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

? 振動臺或振動源

? 連接器和電纜

開始使用

了解和重新創建測試設置的基本步驟如下：

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

2. 將EVAL-XLMOUNT1牢固地安裝到振動器或振動平臺上。

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或振動測量設備上將加速度靈敏度設置為128 μA/g（ADXL1002的靈敏度可能因器件而略有不同；ADXL1002可以利用重力場或其他參考傳感器輕松校準）。

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。

測試

為了驗證電路在振動測量應用中的性能，該電路在ADI公司振動實驗室中進行了測試。由于振動DAQ系統輸入均為電壓輸入，因此使用了一個50Ω溫度穩定且高精度的電阻來閉合電流環路，并通過電阻的壓降來間接測量電路輸出。該電路通過頻率響應、噪聲譜密度以及沖擊和群延遲來刻畫。每個測試的詳細信息和結果如下所述。

頻率響應測量

EVAL-CN0533-EBZ連接到鋁塊安裝界面（EVAL-XLMOUNT1），并安裝到振動臺上，如圖3所示。振動臺產生100 Hz至30 kHz的受控機械振動，并具有固定的2 g加速度幅度。然后記錄電路輸出和振動參考（在這種情況下為激光多普勒振動計）。繪制的頻率響應如圖4所示，其與ADXL1002的轉換函數一致。

圖3.利用EVAL-XLMOUNT1將EVAL-CN0533-EBZ安裝到振動臺上

圖4.頻率響應

在這個及任何其他高頻振動測試中，機械信號路徑的完整性很重要。換句話說，從信號源到傳感器，振動信號必須沒有衰減（由于阻尼）或放大（由于諧振）。在這個例子中，鋁塊(EVAL-XLMOUNT1)、四個螺釘安裝座和厚PCB保證了目標頻率范圍內機械響應的平坦性。

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。結果表明，整個溫度范圍內的噪聲密度變化比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基準電壓(VREF)和ADXL1002輸出電壓(V_OUT)的共同來源，因此不存在兩個電壓電平不一致而產生的轉換誤差。

圖5.1 kHz時噪聲密度與溫度的關系

正弦波振動響應

圖6顯示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的數據集示例，激勵信號為10 kHz正弦振動，幅度為10 g（紅色數據）。此測試中顯示的參考傳感器（圖6中的藍色數據）是激光多普勒振動計的加速度測量。EVAL-CN0533-EBZ相對于振動計的延遲約為20μs。

圖6.器件對10 g加速度正弦波激勵信號的響應

沖擊測試

該電路還進行了沖擊曲線測試（參見圖7）。沖擊峰值加速度為10 g，寬度為500μs，形狀為方波。請注意，ADXL1002 MEMS傳感器可以用欠阻尼二階系統建模，因此預期會有輸出振鈴。

在這種情況下，參考傳感器為壓電傳感器（353C23型），具有一個諧振頻率，特征群延遲為4 μs。請注意，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，電路的總群延遲約為21 μs。

圖7.10 g沖擊曲線

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CN0533設計支持包：www.analog.com/CN0533-DesignSupport