本文對狀態監測系統的傳感器接口數據采集（DAQ）信號鏈設計考慮進行了簡要討論。我們將 研究 某些 設計 選擇， 如 系統 架構、 傳感器 類型 和 分析 方法 會 如何 影響 DAQ 信號 鏈 設計， 并 通過 詳細 介紹 兩 個 DAQ 信號 鏈 設計 示例， 將 這些 理論 付諸 實踐。

介紹

狀態監測的核心價值是長期節約成本。通過預測性維護降低維護成本，并通過預防性維護消除計劃外生產停機時間，從而節省成本。這種價值的實現依賴于狀態監測系統在開發的早期階段準確檢測和識別故障條件的能力。

與開發后期的災難性故障不同，開發早期階段的災難性故障通常顯而易見且易于檢測，而開發早期階段的故障檢測可能只會導致資產正常運行行為的輕微偏差。這種偏差也可能是暫時的。正確檢測和分類早期故障特征通常需要使用不同檢測方式的高性能傳感器作為整體監控解決方案的一部分。這些傳感器需要與具有匹配性能的DAQ信號鏈正確連接，以充分利用其檢測能力。 然后可以使用專門的算法組合和處理數據，以確定被監控資產的整體狀況。

與所有系統設計一樣，在設計狀態監測系統時需要做出許多選擇。每一種選擇都有不同的權衡，并可能極大地改變DAQ信號鏈設計。

系統級注意事項

系統架構

狀態監測（CM）系統要考慮的第一個級別是系統架構。根據傳感器和DAQ信號鏈之間的相對位置，有幾種常見的CM系統架構選項，每種選項都有一定的優勢。

數據采集集中式

典型的 DAQ 集中 式 系統 將 多個 數據 采集 通道 捆綁 在 一個 集中 位置， 通常 以 盒 / 架 儀器 的形式 出現。傳感器位于遠程位置，并使用模擬電纜連接到DAQ系統。

圖1.DAQ 集中式 系統 架構。

DAQ 集中式 架構 被 許多 現有 的 測量 解決 方案 廣泛 使用 。大多數臺式振動監測儀器以及工業模擬輸入模塊都采用這種架構。它還非常適合設計具有內置 CM 功能的資產，例如，在電機和泵中集成 CM 功能時。

此體系結構的一些主要優點包括：

布線成本低。低成本的同軸和雙絞線電纜通常用于在傳感器和DAQ之間長距離傳輸信號。

強大的界面。有許多標準接口協議，例如IEPE和4 mA至20 mA電流環路，旨在確保在嘈雜環境中提供可靠的傳感器接口。

靈活的傳感器支持。根據測量要求，可以設計相同的DAQ系統來支持多種傳感器類型。

支持惡劣的操作環境。傳感器和DAQ信號鏈的物理分離允許某些傳感器在電子元件通常不支持的條件下工作，例如具有極高的/低工作溫度。

更高效的數據采集 信號鏈實現。信號鏈設計可以共享更多常用模塊，以提高效率并降低成本。

采用DAQ集中式架構的CM系統的典型數據采集信號鏈設計要求是：

性能。大多數 DAQ 集中 式 系統 設計 為 支持 多種 傳感器 類型。其中一些具有雙重功能，也可以用作通用DAQ儀器。這些需求提高了DAQ信號鏈的性能要求，并要求寬動態范圍、可調帶寬、交流線性度和直流精度等指標。

輸入保護。由于DAQ集中式系統的輸入端子經常暴露在外部訪問中，因此它們容易受到接線錯誤，信號過量程和ESD等因素的損壞。通常需要額外的保護電路來幫助保護DAQ輸入。

混疊拒絕。采用DAQ集中式架構的系統供應商并不總是控制傳感器和與系統一起使用的輸入信號。因此，這些系統需要能夠抵御目標測量頻帶之外的信號和噪聲混疊。其中許多系統要求DAQ完全抑制所有帶外信號。

功率和面積。與其他系統架構相比，DAQ集中式架構對DAQ信號鏈的功耗和解決方案尺寸的限制更少。然而， 一些 較 新 的 系統 正在 推動 更高 的 通道 密度， 其中 DAQ 信號 鏈 解決 方案 尺寸 和 熱 密度 在 設計 考慮 方面 扮演 了 更 重要 的 角色。

邊緣節點

與DAQ集中式架構相比，邊緣節點架構處于解決方案集成水平的另一端。在 基于 邊緣 節點 的 系統 上， 傳感器、DAQ 信號 鏈 和 信號 處理 單元 都 位于 非常 近 的位置。信號在邊緣被感測、采集和處理。處理后的數據通過有線或無線通信鏈路發送到主機。

圖2.邊緣節點系統架構。

許多電池供電的智能狀態監測系統采用邊緣節點架構，具有以下優點：

易于安裝。特別是對于無線系統，安裝邊緣節點系統在傳感節點之間布線可能很長的電纜需要更少的努力。

優化設計。由于整個系統更加明確和獨立，因此更容易設計優化的信號鏈。

采用邊緣節點架構的CM系統的典型DAQ信號鏈設計要求是：

性能。準確 了解 需要 將 哪些 傳感器 連接 到 DAQ ， 可以 定制 DAQ 信號 鏈 設計 并 提高 效率。然而，有限的功率預算，特別是在電池供電的系統中，可能會限制傳感器和信號鏈的性能。

輸入保護。由于系統是獨立的，模擬DAQ信號鏈不會暴露在外界。這放寬了模擬DAQ信號鏈輸入保護的要求。

混疊拒絕。同樣，傳感器和DAQ系統之間的短距離，加上獨立的物理結構，使得邊緣節點系統不太可能拾取帶外干擾。DAQ 系統 可能 仍 需要 一定 程度 的 濾波 來 保護 其 免受 來自 節點 內部 的 干擾， 例如 來自 傳感器 時鐘 偽 器、 電源 和 通信 鏈路 的 干擾， 但 所需 的 抑制 水平 低于 DAQ 集中 式 系統。

功率和面積。低功耗和緊湊的解決方案尺寸是邊緣節點系統的常見要求。低功耗對于電池供電系統至關重要。系統的尺寸會影響系統外殼的材料成本、安裝的難易程度，對于振動傳感系統，還會影響傳感器的機械特性。

DAQ 分布式 系統

DAQ 分布式 架構 位于 DAQ 集中 式 和 邊緣 節點 架構 之間。在這種架構中， DAQ 信號鏈位于傳感器側，數據處理能力有限或沒有。采集的傳感器數據通過RS-485或10BASE-T1L以太網等數字有線鏈路傳送到集中式主機進行后處理。

圖3.DAQ 分布式 系統 架構。

DAQ 分布式 架構 的 優勢 包括 更 標準 化 的 通信 接口 和 更好 與 更大 工廠 自動 化 系統 的 集成。

DAQ 分布式 系統 的 信號 鏈 設計 考慮 因素 與 邊緣 節點 系統 類似。

傳感器

傳感模態

選擇用于狀態監測系統的傳感器取決于幾個因素，第一個因素是要支持的傳感方式。就像醫生會監測患者的多個生命體征以更好地診斷他/她的健康狀況一樣，監測資產的多個參數可以提高故障檢測的準確性。例如，振動監測已被證明是在開發的早期階段檢測機械故障的可靠方法。溫度是CM中另一個重要的補充參數，因為許多故障類型會產生熱量。其他常用傳感模式 CM 包括聲音、電能質量、應變、扭矩和位移。給定CM系統所需的傳感模式的確切組合還取決于被監控的資產類型以及要檢測的故障類型。

傳感器類型

對于相同的傳感模式，還可以有多種傳感器類型可供選擇。不同類型的傳感器可能具有不同的性能和接口要求，并且沒有一種適合所有CM系統。

以振動監測為例。常見的振動傳感器類型包括MEMS、壓電（壓電）和壓阻（動態應變片）。MEMS加速度計功耗低、重量輕、尺寸小，非常適合采用邊緣節點架構的系統。壓電加速度計可以支持非常寬的帶寬并具有高動態范圍。帶有IEPE接口的壓電傳感器與許多振動監測儀器兼容，可以一起使用，以構建具有DAQ集中式架構的CM系統。

這兩種傳感器的接口要求也大不相同。一些MEMS加速度計具有數字輸出，可以直接連接到微處理器。大多數高性能MEMS加速度計具有模擬輸出，需要數據采集信號鏈。MEMS傳感器通常可以由與DAQ信號鏈共享的單端3.3 V至5 V電源供電。相比之下，帶有IEPE接口的壓電加速度計通常由~4 mA恒流源供電，通過2芯電纜在24 V電源上產生，傳感器輸出為頂部的交流信號 直流偏置電壓（通常為8 V至10 V），通常需要對其進行緩沖、衰減和電平轉換，然后才能由ADC采集。

通道數

另一個與傳感器相關的考慮因素是要使用的傳感器數量，這直接影響所需的DAQ通道數量。CM系統可以在多個位置部署相同的傳感器類型，以提供更完整的資產狀況。例如，一對振動傳感器可以正交放置，以提供有關資產振動幅度的更準確信息。3軸振動傳感器可以安裝在任何角度位置，并且仍然對所有方向的振動具有完全的靈敏度。某些故障診斷方法還依賴于多個信號之間的相位差來對故障位置進行三角測量。這 要求 CM 系統 同時 從 多個 相同 類型 的 傳感器 采集 信號， 這 需要 對 DAQ 信號 鏈 進行 同步 采樣、 相位 匹配 和 通道 采樣 同步 要求。

分析方法

分析方法的選擇在DAQ信號鏈設計決策中也起著關鍵作用。

頻域分析

頻域分析是用于監測移動機械的常用CM方法。旋轉機器基頻倍數的諧波可以通過振動、聲音和電能質量等傳感方式來檢測。確定這些諧波的振幅和頻率是分析機器運行條件的第一個基本步驟。

頻域信息可以通過使用快速傅里葉變換（FFT）轉換時域樣本來獲得。頻率 分析 中 要 考慮 的 關鍵 DAQ 信號 鏈 設計 參數 包括：

感興趣的帶寬。感興趣的測量范圍取決于被監控資產的屬性和故障覆蓋的類型。監測齒輪箱軸承所需的振動監測帶寬可能明顯高于監測風塔結構擺動所需的帶寬。整個監控信號鏈應具有足夠的帶寬，以覆蓋目標的最高頻率分量。

幅度平坦度。頻率分析通常需要在目標頻率上具有平坦的幅度響應，也就是說，增益應在整個頻率范圍內保持恒定。頻率的幅度響應變化可能來自傳感器響應和DAQ信號鏈內濾波的響應。通過選擇在目標頻帶上具有平坦響應的傳感器并將濾波器設計為具有平坦通帶響應，可以實現良好的平坦度。

帶外信號抑制。目標頻帶外的信號對CM系統毫無用處，并且會消耗寶貴的處理能力，甚至污染目標信號。DAQ信號鏈最好去除目標頻帶外的所有信號。

噪聲。就像信號平坦度一樣，測量系統希望在目標頻帶上具有均勻平坦的噪聲頻譜密度（NSD）。本底噪聲應低于目標的最小信號幅度。FFT工藝還有一個額外的好處，即由于處理增益，可以降低頻域輸出中的整體本底噪聲。一個簡單的解釋是，處理的樣本越多，箱子尺寸越窄，每個箱內的功率越低。這允許測量系統人為地增加其測量動態范圍（僅在頻域中），以檢查原本低于本底噪聲的信號。處理增益的限制在于它需要大內存和更長的處理時間。測量信號鏈的無雜散動態范圍（SDFR）還可以設置要測量的最小有效信號幅度。

動態線性度。低諧波失真對于頻域諧波分析非常重要。由測量信號鏈的非線性引起的額外諧波可以掩蓋由故障條件引起的實際諧波信號的偏差。

時域分析

頻域分析僅限于監測周期性信號，例如旋轉機械固有產生的信號。對于以非周期方式運行的資產（例如，線性和往復運動）以及基于特定時間運行的資產（例如液壓/氣缸），需要進行時域分析。即使對于監測旋轉機械，某些分析方法，如沖擊脈沖法，也依賴于時域數據分析。

時域信息可以通過簡單地分析采樣數據波形來獲得。時間分析時要考慮的關鍵DAQ信號鏈設計參數包括：

感興趣的帶寬。測量信號鏈的帶寬應足夠寬，以免在最高目標頻率下使信號波形失真。通常不是瞬態事件發生的頻率，而是瞬態事件引起的信號振蕩頻率決定了測量帶寬要求。在某些情況下，例如使用沖擊脈沖方法進行監測，瞬態事件引起的信號振蕩由傳感器的諧振頻率設定。

采樣率。與頻率分析（其中有效信號采樣率原則上不需要高于要監控的最高頻率分量的兩倍）相反，時域分析的采樣率要求可能需要遠高于目標的最高輸入信號頻率。這是由于信號的瞬態性質 被監控。瞬態信號的過采樣使得分析信號波形的輪廓變得容易，包括其峰值和谷值幅度以及變化率。最大誤差峰值比可以從 1–cos （π/OS） 得出，其中 OS 是過采樣比，等于輸入信號頻率范圍內的有效采樣率。10×瞬態信號振蕩頻率的過采樣會使峰值檢測精度限制在±5%以下。

噪聲。由于每個樣本中包含的噪聲會直接影響時域波形的幅度檢測精度，因此總均方根噪聲值在時域分析中至關重要。噪聲頻譜密度的平坦度并不重要，只要有效噪聲帶寬上的總積分噪聲滿足所需的測量精度即可。噪聲改善DSP技術，如FFT過程增益，在時域分析中不再可用。

階躍響應。測量信號鏈需要具有良好的階躍響應，以便正確復制瞬態信號輸入的曲線。這會影響DAQ信號鏈中的濾波器設計和選擇。

DAQ 信號鏈 設計 示例

在 本節 中， 我們 將 使用 兩 個 CM 系統 DAQ 信號 鏈 示例 來 展示 如何 將 系統 要求 轉換 到 信號 鏈 設計 中。

例 1

系統要求

邊緣節點架構中的 3 V 至 3.6 V 電池供電系統

單軸振動感應，量程為 ±50 g

支持高達 10 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

動態范圍 >10 kHz 帶寬內為 80 dB

支持時域分析，包括沖擊脈沖法，采樣率為128 kSPS

在滿量程范圍內等于或小于動態非線性度的0.1%。

能夠在嘈雜的環境中工作，并能夠抑制電磁干擾（EMI）。

傳感器選擇

選擇ADXL1002MEMS加速度計進行振動檢測。它符合關鍵性能標準，具有非常適合邊緣節點系統的低功耗和小外形尺寸。

ADXL1002具有11 kHz的平坦響應帶寬，非常適合在目標帶寬為10 kHz的頻率分析。傳感器的諧振頻率為21 kHz。可以對該頻率的信號進行過采樣，以支持時域分析方法，例如沖擊脈沖法。

圖5.ADXL1002加速度計的頻率響應分頻。

該傳感器的噪聲密度為 25 μg/√Hz，最高可達 10 kHz。如果10 kHz帶寬上的總均方根噪聲為25 × √（10e3)= 2.5 mg rms 輸入范圍為 ±50g，傳感器的動態范圍可通過下式計算

ADXL1002的輸出為緩沖電壓信號，幅度與感測加速度和傳感器電源電壓成正比。輸出信號偏置在等于傳感器電源電壓一半的直流電壓下。采用5 V電源供電時，ADXL1002的靈敏度為40 mV/g。采用 3.3 V 電源時，±50g輸入范圍內的最大傳感器輸出信號擺幅為 ±50 × 40e–3/5 × 3.3 = ±1.32 V，中心電壓為

圖6.ADXL1002的滿量程輸出信號。

數據采集要求

與ADXL1002傳感器接口的DAQ信號鏈需要滿足以下要求：

支持傳感器的整個輸出電壓范圍

具有超過 11 kHz 的平坦頻率響應

能夠對諧振頻率進行至少5次過采樣×

讓傳感器主導整體交流和直流性能

為目標頻帶外的信號提供足夠的混疊抑制

低功耗

解決方案尺寸小

建議的解決方案如圖7所示。它由單通道精密Σ-Δ型ADC AD7768-1和ADC驅動放大器ADA4805-1組成。

圖7.電池供電邊緣節點傳感器解決方案的DAQ信號鏈示例，該解決方案支持使用ADXL1002加速度計進行單軸振動檢測。

模數轉換器選擇

AD7768-1是一款多功能精密ADC，具有多種工作模式，可在功耗、帶寬和噪聲之間進行權衡。可編程數字濾波器對于混疊抑制至關重要，可以使用不同的濾波器類型來支持頻域和時域分析。

在此設計中，我們選擇使用以下配置操作設備：

在 REF+ 輸入上啟用集成基準電壓緩沖器

低功耗模式

低紋波寬帶濾波器，具有 32 kSPS ODR（濾波器選項 A）

具有 128 kSPS ODR 的 Sinc5 濾波器（濾波器選項 B）

集成的基準電壓緩沖器可實現非常緊湊的設計，并且無需額外的緩沖放大器。該設計利用了ADXL1002輸出與其電源電壓之間的比例關系，以及AD7768-1的基準電壓緩沖器支持軌到軌操作的事實，方法是在傳感器和ADC之間共享3.3 V電池電源，并使用與ADC基準電壓相同的電壓。這不僅消除了為DAQ信號鏈生成專用基準電壓的需要，而且還消除了由于電源電壓變化（例如電池放電隨時間變化）而導致的任何測量信號幅度變化。

低功耗模式操作使ADC的功耗降至最低，從而最大限度地延長電池壽命。在低功耗模式下，AD7768-1可以支持磚墻式低紋波寬帶濾波器，在ODR為32 kSPS（濾波器選項A）時具有13 kHz平坦（–0.1 dB）帶寬，非常適合覆蓋ADXL1002的11 kHz平坦帶寬，以執行頻率分析。磚墻濾波器具有近乎理想的濾波器輪廓，非常適合頻率分析，但高階濾波器使其不太適合執行時域分析。因此，可以使用具有較大階躍響應的sinc5濾波器來滿足時域分析的需求。低功耗模式下的AD7768-1內置sinc5濾波器，支持高達128 kSPS的輸出數據速率和26 kHz時的–3 dB頻率（濾波器選項B），足以對傳感器的21 kHz諧振頻率進行過采樣5×以上。數字濾波器類型和輸出數據速率均通過SPI接口進行寄存器編程，允許信號帶寬 根據應用需求動態調整。

圖8.如何將不同的數字濾波器響應用于不同的測量要求。

與將未濾波的過采樣數據發送到外部數字主機進行后處理相比，AD7768-1上的集成數字濾波器大大提高了數字處理的能效。AD7768-1在低功耗模式下的功耗（AVDD1、AVDD2和IOVDD采用3.3 V電源，REF+引腳使能時，估計功耗為10.2 mW，帶寬為32 kSPS ODR的寬帶低紋波濾波器為12.6 mW。

在此配置中，AD7768-1的噪聲對于濾波器選項A為11.5 μV rms，對于濾波器選項B為49.5 μV rms。本設計中ADC的輸入信號是±1.32 V的偽差分信號。具有此輸入范圍和濾波器選項A的ADC的有效動態范圍為20 × log（1.32/√（2）/11.5e–6） = 98 dB，使用濾波器選項 B 時為 85.5 dB。兩者都足以讓傳感器主導整體噪聲性能。

AFE 設計

雖然ADXL1002具有緩沖輸出，但在ADC的采樣頻率（2.048 MHz）下，其輸出阻抗不夠低，無法在采樣期間完全建立ADC的輸入。建議使用寬帶寬驅動器放大器將傳感器與ADC橋接。選擇ADA4805-1是基于其寬帶寬、低輸出阻抗、低噪聲、小尺寸、 和低功耗。

由于ADC和驅動放大器組合的噪聲性能低于傳感器的噪聲性能，因此無需增益傳感器的輸出信號。ADA4805-1具有軌到軌輸出，但沒有軌到軌輸入。因此，驅動器配置為增益為1的反相緩沖器。驅動器的輸出裕量經過驗證，可滿足滿量程信號擺幅。

AD7768-1的數字濾波器在ADC采樣頻率附近的頻帶上也沒有抑制。利用ADA4805-1構建一個有源抗混疊濾波器，以幫助數字濾波器在整個頻率范圍內實現足夠的整體帶外信號抑制。該設計是一款二階低通濾波器，具有多反饋架構和近巴特沃茲響應，轉折頻率為–3 dB 在 32 Hz 時和 –73 dB 的抑制（在 2 MHz 時）。

圖9.示例1信號鏈的整體濾波器響應。

驅動器電路中使用的電阻值經過精心選擇，以平衡功耗、電路噪聲、電容尺寸和ADA4805-1輸入偏置電流引起的直流失調誤差。

組合信號鏈的整體性能如表1所示。

例 2

系統要求

DAQ 集中式架構中的 DAQ 模 塊， 具有 通道 間 隔離 的 DAQ 模 塊

偽差分輸入，最大輸入范圍為 ±12 V

支持IEPE接口

交流和直流偏置輸入選項

高達 ±60 V 的輸入過壓保護

1 MΩ 輸入阻抗

支持高達 100 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

動態范圍 >105 kHz 帶寬內為 100 dB

無混疊（能夠抑制目標頻帶外的所有信號 –105 dB）

支持時域分析，包括沖擊脈沖法

總諧波失真為 ≤–115 dB，滿量程輸入為 1 kHz

高直流精度

支持可編程濾波器帶寬和輸出數據速率

建議的解決方案如圖10所示。它使用與示例1相同的24位精密Σ-Δ型ADC （AD7768-1）。模擬前端包括一個ADG5421F輸入保護開關、一個用于提供IEPE傳感器電源電流的LT3092恒流源、一個精密JFET緩沖放大器ADA4610-1、一個用于ADC驅動的全差分放大器ADA4945-1，以及一個抗混疊濾波器結構。精密基準電壓源ADR444用于在精密運算放大器ADA4528-1作為基準電壓緩沖器的幫助下向ADC提供基準電壓源。

圖 10.支持直接IEPE傳感器接口和通道間隔離的DAQ集中式解決方案的DAQ信號鏈示例。

傳感器電源

IEPE接口為2線接口，傳感器輸出信號（電壓）和傳感器電源（電流）共用同一根線。LT3092用于在30 V電源上構建一個低噪聲2.5 mA電流源，為傳感器供電。電流值可通過電阻值進行編程，以支持更長的電纜長度/更高的電纜電容。

圖 11.只需一根 2 芯電纜即可與 IEPE 傳感器連接。

一些IEPE傳感器不是外殼隔離的，這意味著它們的OUT-端子可能連接到本地接地。如果傳感器接口DAQ也不是隔離的，那么DAQ也需要接地參考。在這種設計中，DAQ通道是隔離的。這有助于消除接地和電源電平限制，允許DAQ設計為雙極性電源，以支持更對稱的 雙極性輸入信號。

輸入保護

采用ADG5421F保護開關為電路提供輸入過壓保護。當輸入電壓超過電源范圍時，內部開關斷開，以保護DAQ信號鏈的其余部分。ADG5421F可承受高達±60 V的輸入電壓，其低而穩定的R電壓上對于最小化信號失真至關重要。

在此設計中，該開關還用于為信號鏈輸入配置提供可編程選項。根據開關配置，信號鏈輸入可配置為交流或直流耦合，電流源可獨立切換進出。

附加一個TVS與一個小（10 Ω）串聯電阻器一起，以幫助改善輸入節點的ESD保護。

模數轉換器選擇

通道隔離要求推動了對單通道DAQ解決方案的需求。

這兩個示例展示了AD7768-1的多功能性。在全功率模式下工作時，該ADC能夠使用磚墻數字濾波器（ODR = 256 kSPS）實現110 kHz的平坦帶寬，同時仍能實現108 dB的動態范圍（基準電壓為4.096 V）。它還支持用于時域波形捕獲的sinc5濾波器，最大輸出數據速率為1.024 MSPS。

AD7768-1還具有業界領先的動態線性度和直流性能。這包括典型THD為–120 dB，1 kHz接近滿量程正弦輸入信號，失調誤差漂移為300 nV/°C，增益誤差漂移為0.25 ppm。

對于不需要通道隔離的多通道DAQ系統，可以使用同一ADC的四通道（AD7768-4）或八通道（AD7768）版本。

AFE 設計

輸入信號需要緩沖以達到所需的阻抗。緩沖放大器需要具有低輸入偏置電流、低噪聲、良好的動態線性度、高直流精度和足夠的帶寬。ADA4610-1JFET運算放大器是根據這些要求選擇的。它配置為單位增益緩沖器，需要±15 V電源。

然后需要對信號進行衰減和電平轉換，以適應ADC的輸入范圍。希望將偽差分信號轉換為全差分信號。這種轉換將測量動態范圍提高了6 dB，并大大降低了二次諧波失真。然后需要對信號進行濾波以抑制混疊，并使用高帶寬和低輸出阻抗ADC驅動器放大器進行緩沖，以確保ADC輸入正確建立。幸運的是，所有這些功能都可以通過使用單個ADA4945-1全差分ADC驅動器放大器的電路設計來實現，最小 失真和增加噪聲，同時保持出色的直流精度。

圖 12.模擬前端的信號調理。

在本電路中，信號衰減0.33，采用4.096 V ADC基準電壓源時，允許±4.096/0.33 = ±12.41 V滿量程輸入擺幅。信號以±4.096 V幅度轉換為全差分，電平轉換為2.5 V（中間電源）共模電壓，使FDA輸出和ADC輸入都滿意。

如示例1所述，AD7768-1的數字濾波器在ADC采樣頻率附近的頻帶上也沒有抑制。在全功率模式下，ADC的有效采樣頻率為16.384 MHz。ADA4945-1構建了一個有源抗混疊濾波器，以幫助數字濾波器在整個頻率范圍內實現足夠的整體帶外信號抑制。該設計是一個三階低通濾波器，具有多反饋架構和接近巴特沃茲響應。另一個低通極點由緩沖放大器ADA4610-1前面的RC電路增加，以幫助進一步提高FS處的混疊抑制。整個信號鏈頻率響應在440 kHz時具有–3 dB轉折，以最大程度地減小帶內響應的幅度和相位失真。AAF 在 100 kHz 時引起的幅度下降小于 10 mdB。16.3 MHz時的幅度響應約為–108 dB。這與AD7768-1的磚墻數字濾波器相結合，產生一個無混疊信號鏈，能夠 抑制所有帶外信號至少 105 dB。

圖 13.示例2信號鏈的整體濾波器響應。

隔離和電源管理

這里不詳細討論數字和電源隔離及電源管理解決方案。ADP1031等解決方案可在隔離范圍內提供SPI接口以及±15 V和5 V電源電壓。ADuM140D高速數字隔離器可用于跨隔離提供MCLK和SYNC_IN信號，以實現跨通道采樣同步。

例 3

CN0540描述了IEPE傳感器接口DAQ信號鏈設計的另一種方法。

CN0540設計支持0 V至24 V的單極性輸入范圍。它適用于與IEPE傳感器接口的非通道隔離DAQ系統，無需外殼隔離，在這種情況下，IEPE傳感器和DAQ信號鏈共享一個公共接地。此設計支持直流耦合到 IEPE 傳感器。盡管壓電傳感器不支持低至直流的響應，但直流耦合使該信號鏈具有提取低頻振動的優勢，而不會從低帶寬交流耦合電路中提取啟動延遲。

相比之下，示例2所示的信號鏈設計支持雙極性輸入信號。它 需要 在 交流 耦合 模式 下 工作 才能 與 IEPE 傳感器 連接， 但 這種 ±12.4 V 輸入 范圍 和 高 輸入 阻抗 使其 更 適合 多 用途 DAQ 系統。

總結

總之，本文詳細介紹了系統架構、傳感器類型和分析方法的選擇如何極大地影響狀態監測系統中的DAQ信號鏈設計。本文討論的設計考慮因素以及示例參考設計有望幫助系統設計人員為其狀態監測系統做出最佳設計選擇。

審核編輯：郭婷