本文深入探討狀態監控系統的傳感器接口數據采集(DAQ)信號鏈設計考量。我們將會分析系統架構、傳感器類型和分析方法等設計選項會如何影響DAQ信號鏈設計，并通過詳細論證兩種DAQ信號鏈設計示例，將這些理論應用于實踐。

簡介

狀態監控的核心價值在于能長期節省成本。通過提供預測性維護，可以降低維護成本，并消除意外的生產停機，從而節省成本。能否實現這一價值，取決于狀態監控系統在開發早期階段準確檢測并識別故障問題的能力。

與開發后期非常明顯且易于檢測的災難性故障不同，開發早期的故障只會使資產的正常運作行為產生微小偏差。這種偏差也可能是暫時的。要正確檢測和分類早期故障特征，通常需要使用傳感方式各異的高性能傳感器來作為整個監控解決方案的組成部分。這些傳感器需要與性能匹配的DAQ信號鏈連接，以充分利用其傳感能力。然后，可以使用專用算法來組合和處理這些數據，以確定所監控資產的整體狀況。

與所有系統設計一樣，在設計狀態監控系統時需要做出許多選擇。每種選擇都會伴隨相應的權衡和取舍，可能會徹底改變DAQ信號鏈設計。

系統級考慮因素

系統架構

對于狀態監控(CM)系統，要考慮的第一層因素是系統架構。根據傳感器和DAQ信號鏈之間的相對位置，可以使用幾種常見的CM系統架構選項，每種都有一定的優勢。

以DAQ為中心

典型的DAQ集中式系統將多個數據采集通道集中部署在某個位置，通常是以柜式/架式儀器的形式。傳感器部署在較遠位置，使用模擬電纜連接至DAQ系統。

圖1. DAQ集中式系統架構。

現有的許多測量解決方案廣泛使用DAQ集中式架構。大部分臺式振動監控儀器和工業模擬輸入模塊都使用這種架構。在設計帶內置CM功能的資產時，也適合使用這種架構，例如，在電機和泵中集成CM功能時。

這種架構的一些重要優勢包括：

低布線成本。通常使用低成本同軸電纜和雙絞線在傳感器和DAQ之間遠距離傳輸信號。

魯棒的接口。設計采用多個標準接口協議（例如IEPE和4 mA至20 mA電流環路）來確保在嘈雜環境中提供魯棒的傳感器接口。

靈活的傳感器支持。可以根據不同的測量要求，將同一個DAQ系統設計為支持多種傳感器類型。

支持嚴苛的操作環境。傳感器和DAQ信號鏈之間物理分隔使得某些傳感器能夠在電子元件通常不支持的條件下運行，例如在極高/極低工作溫度下。

更高效的DAQ信號鏈配置。信號鏈設計可以共用更多公共模塊，以提高效率和降低成本。

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：

性能。大部分DAQ集中式系統設計都支持多種傳感器類型。其中一些具有雙重功能，也能作為通用DAQ儀器使用。這些需求提高了DAQ信號鏈的性能要求，以及寬動態范圍、可調帶寬、交流線性度和直流精度等需求指標。

輸入保護。由于DAQ集中式系統的輸入終端經常暴露在外部接入環境中，所以很容易受到錯誤接線、信號傳輸距離過遠和ESD等因素的影響而損壞。通常需要額外的保護電路來保護DAQ輸入。

混疊抑制。使用DAQ集中式體系結構的系統供應商并不總是控制傳感器和系統要使用的輸入信號。因此，這些系統需要能夠抵抗目標測量頻帶之外的信號混疊和噪聲。其中許多系統都要求DAQ能夠完全抑制所有帶外信號。

功率和區域。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較少。但是，一些較新的系統開始要求更高的通道密度，使得DAQ信號鏈解決方案的大小和熱密度成為更加重要的設計考慮因素。

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級別的另一端。在基于邊緣節點的系統中，傳感器、DAQ信號鏈和信號處理單元彼此非常靠近。信號檢測、獲取和處理都在邊緣進行。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。

許多由電池供電的智能狀態監控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，安裝邊緣節點系統時，在傳感節點之間部署長電纜時要更加容易。

優化設計。由于整個系統定義更明確、更獨立，所以更易于設計出優化的信號鏈。

采用邊緣節點架構的CM系統的典型DAQ信號鏈設計要求：

性能。明確知道需要將哪些傳感器連接至DAQ，就可以定制DAQ信號鏈設計和改善效率。但是，有限的功率預算（尤其在電池供電式系統中）會限制傳感器和信號鏈的性能。

輸入保護。由于系統獨立自足，模擬DAQ信號鏈不會暴露在外界中，所以模擬DAQ信號鏈輸入保護要求也相對放寬。

混疊抑制。同樣，傳感器和DAQ系統之間的距離很短，加上獨立式物理結構，使得邊緣節點系統不太可能接收到帶外干擾。DAQ系統可能仍然需要提供某種程度的濾波保護，以免受節點內部的干擾，例如來自傳感器時鐘器件、電源和通信鏈路的干擾，但所需的抑制等級要低于DAQ集中式系統。

功率和區域。對邊緣節點系統來說，低功耗和緊湊的解決方案尺寸是常見要求。對于電池供電式系統，低功耗是關鍵。系統的尺寸會影響系統外殼的材料成本、安裝的難度，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集中式架構和邊緣節點架構之間。在這種架構中，DAQ信號鏈位于傳感器一側，數據處理能力有限或沒有數據處理能力。采集到的傳感器數據通過數字有線鏈路（例如RS-485或10BASE-T1L以太網）傳輸至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、與大型的工廠自動化系統的集成度更高。

DAQ分布式系統的信號鏈設計考慮與邊緣節點系統相似。

傳感器

檢測模塊

選擇狀態監控系統中使用的傳感器時需考慮多個因素，第一個是要支持的檢測模塊。就像醫生通過監控患者的多項生命體征來更好地診斷他們的健康狀況一樣，監控資產的多項參數也可以提高故障檢測的準確性。例如，已經證明在開發的早期階段，振動監控是檢測機械故障的可靠方法。溫度是狀態監控中的另一個重要輔助參數，因為許多故障類型都會導致發熱。狀態監控中使用的其他常見檢測模塊包括：聲音、電能質量、應變、扭矩和位移。給定的狀態監控系統具體組合使用哪些檢測模塊，還取決于所監控的資產類型和要檢測的故障類型。

傳感器類型

同樣的檢測模塊也可以選擇多種傳感器類型。不同類型的傳感器可能有不同的屬性和接口要求，沒有一種傳感器適合所有狀態監控系統。

以振動監測為例。常見的振動傳感器類型包括MEMS、壓電式（壓電）和壓阻式（動態應變儀）。MEMS加速度計功耗低、重量輕、體積小，非常適合采用邊緣節點架構的系統。壓電式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控儀器兼容，通過搭配使用，可以構建采用DAQ集中式架構的狀態監控系統。

這兩種傳感器對接口的要求也有很大不同。有些MEMS加速度計提供數字輸出，可以直接連接到微處理器上。大多數高性能MEMS加速度計都提供模擬輸出，需要使用數據采集信號鏈。MEMS傳感器通常由與DAQ信號鏈共享的單端3.3 V至5 V電源供電。與之相比，帶IEPE接口的壓電式加速度計通常由24 V電源生成的~4 mA恒定電流源通過雙線電纜供電，傳感器輸出為基于直流偏置電壓（一般為8 V至10 V）的交流信號，該信號一般需要先緩沖、衰減和進行電平轉換，然后才能被ADC獲取。

通道數

另一個與傳感器相關的考慮是使用的傳感器數量，這會直接影響所需的DAQ通道數量。狀態監控系統可以在多個位置部署相同類型的傳感器，以更全面地掌握資產的狀況。例如，一對振動傳感器可以正交放置，以提供更準確的資產振動幅度信息。三軸振動傳感器可以安裝在任何角度位置，并且對各個方向的振動仍具有充分的靈敏度。某些故障診斷方法也依靠多個信號之間的相位差來三角測量故障位置。這要求狀態監控系統同時從多個相同類型的傳感器獲取信號，可以轉化成對DAQ信號鏈的同步采樣、相位匹配和通道采樣同步要求。

分析方法

分析方法的選擇也是影響DAQ信號鏈設計決策的重要因素。

頻域分析

頻域分析是一種常用的狀態監控方法，用于監控移動機械。旋轉機器基頻倍數的諧波可以通過振動、聲音和電能質量等檢測模塊進行檢測。確定這些諧波的振幅和頻率是分析機器運行狀況的第一個基本步驟。

利用快速傅立葉變換(FFT)對時域樣本實施轉換，可以得到頻域信息。在實施頻率分析時，需要考慮的關鍵DAQ信號鏈設計參數包括：

目標帶寬。目標帶寬測量取決于被監控資產的屬性和故障覆蓋類型。監控齒輪箱軸承所需的振動監控帶寬可能遠高于監控風塔結構擺動所需的帶寬。整個監控信號鏈應具有足夠帶寬，足以涵蓋最高目標能量譜分量。

振幅平坦度。要實施頻率分析，通常要求目標頻率上的振幅響應保持平坦，即增益在頻率上保持恒定。傳感器響應和DAQ信號鏈內部的濾波響應可能使得振幅響應隨頻率變化。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的通帶響應，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狀態監控系統無用，可能會消耗寶貴的處理資源，甚至是污染目標信號。對于DAQ信號鏈來說，最好去除目標頻帶外的所有信號。

噪聲。與信號平坦度一樣，測量系統要求在目標頻帶上具有均勻平坦的噪聲譜密度(NSD)。本底噪聲應低于最小的目標信號幅度。因為調制增益，FFT處理功能還具有一個額外優勢，即可以降低頻率輸出中的總體本底噪聲。簡單的說，就是處理的樣本越多，bin的尺寸就越窄，每個bin內的功率噪聲就越低。這使得測量系統能夠人為地增大其測量動態范圍（僅在頻域中），以檢查原本將會低于本底噪聲的信號。調制增益的限制在于：需要很大的內存和更長的處理時間。測量信號鏈的無雜散動態范圍(SDFR)也可以設置要測量的最小的有意義的信號幅度。

動態線性。在實施頻域諧波分析時，低諧波失真非常重要。測量信號鏈的非線性引起的額外諧波會掩蓋故障條件引起的真實諧波信號的偏差。

時域分析

頻域分析只能監控周期性信號，例如旋轉機器本身產生的信號。要監控以非周期性方式運行的資產，例如進行線性和往復運動的資產，以及基于特定時序運行的資產，例如液壓/氣缸，則需要采用時域分析。即使是監控旋轉機器，某些分析方法（例如沖擊脈沖法）也依賴于時域數據分析。

通過簡單分析采樣得到的數據波形，即可獲得時域信息。在實施時域分析時，需要考慮的關鍵的DAQ信號鏈設計參數包括：

目標帶寬。測量信號鏈的帶寬應足夠寬，以免最高目標頻率下的信號波形失真。測量帶寬要求通常不是由瞬態事件發生的頻率決定的，而是由瞬態事件導致的信號的振蕩頻率決定的。在某些情況下，例如使用沖擊脈沖法實施監控時，瞬態事件引起的信號振蕩由傳感器的諧振頻率決定。

采樣速率。與頻率分析（原則上，有效信號采樣速率無需高于要監控的最高能量譜分量的兩倍）相反，時域分析可能要求采樣速率遠高于最高目標輸入信號頻率。這是被監控信號的瞬態特性造成的。對瞬態信號進行過采樣，以便分析信號波形的特征，包括其峰谷幅度和變化率。峰值比最大誤差可以由1–cos (π/OS)推導出來，其中OS為過采樣率，等于輸入信號頻率范圍內的有效采樣速率。以10倍瞬態信號振蕩頻率進行過采樣，可以將峰值檢測精度限制在±5%以內。

噪聲。由于每個樣本中所包含的噪聲會直接影響時域波形的幅度檢測精度，所以在時域分析中，總均方根噪聲值非常重要。噪聲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要求的測量精度即可。在時域分析中，噪聲改善DSP技術（例如FFT處理增益）不再可用。

階躍響應。測量信號鏈需要具有良好的階躍響應，以便復制瞬態信號輸入的特征。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，我們將使用兩個狀態監控系統DAQ信號鏈示例來展示如何將系統需求轉化為信號鏈設計。

示例1

系統要求

采用邊緣節點架構、由3 V至3.6 V電池供電的系統

±50 g范圍的單軸振動檢測

支持高達10 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

在10 kHz帶寬下，動態范圍>80 dB

支持采樣速率為128 kSPS的時域分析，包括沖擊脈沖法

在滿量程范圍內，動態非線性度等于或小于0.1%

能夠在高噪聲環境中工作，且能夠抑制電磁干擾(EMI)

傳感器選擇

選擇使用ADXL1002MEMS加速度計來實施振動檢測。它滿足關鍵性能標準，具有低功耗、小尺寸，非常適合邊緣節點系統。

ADXL1002具有11 kHz平坦響應帶寬，非常適合用于在10 kHz目標帶寬上實施頻率分析。傳感器的諧振頻率為21 kHz。可以對該頻率下的信號進行過采樣，以支持沖擊脈沖法等時域分析方法。

圖5. ADXL1002加速度計的頻率響應劃分。

該傳感器的噪聲密度為25 μg/√Hz，最高可達10 kHz。如果10 kHz帶寬以上的總均方根噪聲為25 × √(10e3) = 2.5 mg rms，輸入范圍為±50 g，可使用以下公式計算傳感器的動態范圍

ADXL1002的輸出是一個緩沖電壓信號，其幅度與傳感加速度和傳感器的電源電壓成正比。輸出信號在直流電壓（等于傳感器電源電壓的一半）下偏置。采用5 V電源時，ADXL1002的靈敏度為40 mV/g。采用3.3 V電源時，±50 g輸入范圍中的最大傳感器輸出信號擺幅為±50 × 40e–3/5 × 3.3 = ±1.32 V，以

為中心

圖6. ADXL1002的滿量程輸出信號。

DAQ要求

與ADXL1002傳感器連接的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

在11 kHz以上的頻率下具有平坦的頻率響應

能夠對諧振頻率進行至少5倍的過采樣

允許傳感器主導整個交流和直流性能

對目標頻段外的信號提供充分的混疊抑制

低功耗

小尺寸解決方案

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

圖7. 支持使用ADXL1002加速度計實施單軸振動檢測、由電池供電的邊緣節點傳感器解決方案的DAQ信號鏈示例。

ADC選型

AD7768-1是一款多功能精密ADC，具有多種工作模式，可以在功率、帶寬和噪聲之間進行權衡和取舍。可編程數字濾波器是進行混疊抑制的關鍵，可以使用不同類型的濾波器來支持頻域和時域分析。

在本設計中，我們選擇采用以下配置來操作設備：

在REF+輸入端啟用集成基準電壓緩沖器

低功耗模式

具有32 kSPS ODR的低紋波寬帶濾波器（濾波器選項A）

具有128 kSPS ODR的Sinc5濾波器（濾波器選項B）

使用集成基準電壓緩沖器之后，可以實現非常緊湊的設計，且無需再使用額外的緩沖器放大器。本設計在傳感器和ADC之間共用3.3 V電池電源，并使用與ADC的基準電壓相同的電壓，以利用ADXL1002的輸出與其電源電壓之間的比率關系，以及AD7768-1的基準電壓緩沖器對軌到軌操作的支持。如此，不僅不再需要為DAQ信號鏈生成專用的基準電壓，還消除了由于電源電壓變化（例如電池隨時間放電）而產生的測量信號幅度變化。

低功耗模式操作最大限度地降低了ADC的功耗，從而盡可能延長電池的壽命。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32 kSPS ODR時使用13 kHz平坦(–0.1 dB)帶寬（濾波器選項A），可以完全涵蓋ADXL1002的11 kHz平坦帶寬，以執行頻率分析。磚墻式濾波器具有比較理想的濾波器特征，非常適合用于頻率分析，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需求。AD7768-1在低功耗模式下使用sinc5濾波器來支持高達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諧振頻率進行超過5倍的過采樣。數字濾波器類型和輸出數據速率均可通過SPI接口進行寄存器編程，以便基于應用需求動態調整信號帶寬。

圖8. 如何根據不同的測量要求使用不同的數字濾波器響應。

與將未經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功效比。在低功耗模式下，在AVDD1、AVDD2和IOVDD上使用3.3 V電源，且使能REF+引腳上的基準電壓緩沖器時，AD7768-1上具有128 kSPS ODR的sinc5濾波器的功耗約為10.2 mW，具有32 kSPS ODR的寬帶低紋波濾波器的功耗約為12.6 mW。

在這種配置下，AD7768-1的噪聲為11.5 μV rms（濾波器選項A）和49.5 μV rms（濾波器選項B）。本設計中ADC的輸入信號為±1.32 V的偽差模信號。在此輸入范圍內，ADC的有效動態范圍為20 × log(1.32/√(2)/11.5e–6) = 98 dB（濾波器選項A）和85.5 dB（濾波器選項B）。在這兩種情況下，傳感器都足以主導整個噪聲性能。

AFE設計

雖然ADXL1002提供緩沖輸出，但在ADC的采樣頻率(2.048 MHz)下，其輸出阻抗不夠低，不足以在采樣期間使ADC的輸入完全穩定下來。建議采用寬帶寬驅動放大器將傳感器與ADC連接起來。根據ADA4805-1的寬帶寬、低輸出阻抗、低噪聲、小尺寸和低功耗特性，我們選擇使用它來執行此項任務。

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，所以無需增大傳感器的輸出信號。ADA4805-1具有軌到軌輸出，但沒有軌到軌輸入。因此，將驅動器配置成增益為1的反相緩沖器。已經證實驅動器的輸出余量足以支持滿量程信號擺幅。

AD7768-1的數字濾波器在ADC采樣頻率周圍的頻段下不提供抑制。有源抗混疊濾波器采用ADA4805-1構成，以幫助數字濾波器在整個頻率范圍內實現準確的總帶外信號抑制。該設計為一個二階低通濾波器，采用多反饋架構，提供近巴特沃茲響應，在32 Hz時具有–3 dB角度，在2 MHz時提供–73 dB抑制。

圖9. 示例1信號鏈的總濾波器響應。

驅動電路中使用的電阻值經過精心選擇，以平衡功耗、電路噪聲、電容大小和ADA4805-1輸入偏置電流造成的直流偏置誤差。

組合信號鏈的整體性能如表1所示。

傳感器特性	DAQ特性
整個測量范圍	±50 g（0.33 V至2.97 V）	最大輸入范圍	0.02 V至3.28 V
最大平坦帶寬 (3 dB)	11 kHz	最大平坦帶寬(-3 dB)	13.8 kHz
諧振頻率	21 kHz	Sinc5濾波器 ODR最大值	128 kSPS (–3 dB BW = 26 kHz)
在 13.8 kHz 帶寬下的動態范圍	80 dB*	在13.8 kHz帶寬下的動態范圍	98 dB
線性度	0.1%（全溫度范圍）	線性度	在整個范圍內，優于0.001%
使用 3.3 V 電源時的功耗	3.3 mW	功耗	14 mW
封裝尺寸	25 mm2	IC封裝的總尺寸	28 mm2
*基于輸出噪聲曲線估算

示例2

系統要求

在DAQ集中式架構中采用DAQ模塊，提供通道與通道間的隔離

偽差分輸入，±12 V最大輸入范圍

支持IEPE接口

交流和直流偏置輸入選項

輸入過壓保護，高達±60 V

1 MΩ輸入阻抗

支持高達100 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

在100 kHz帶寬下，動態范圍>105 dB

無混疊（可以對目標頻帶外的所有信號提供–105 dB抑制）

支持時域分析，包括沖擊脈沖法

總諧波失真≤–115 dB，1 kHz滿量程輸入

高直流精度

支持可編程的濾波器帶寬和輸出數據速率

建議使用的解決方案如圖10所示。它使用與示例1相同的24位精密Σ-Δ ADC (AD7768-1)。模擬前端包括 ADG5421F 輸入保護開關、LT3092 恒定電流源（用于提供IEPE傳感器電源電流）、ADA4610-1 精密JFET緩沖放大器、ADA4945-1 全差分放大器（用于ADC驅動），以及抗混疊濾波器結構。ADR444 精密基準電壓源用于配合 ADA4528-1 精密運算放大器（作為基準電壓緩沖器）為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接口是雙線接口，傳感器輸出信號（電壓）和傳感器電源（電流）共用同一根電纜。LT3092用于在30 V電源中構建低噪聲2.5 mA電流源，為傳感器供電。電流值可以通過電阻值設置，以支持更長的電纜/更大的電纜電容。

圖11. 只需要使用一根雙線電纜來連接IEPE傳感器。

有些IEPE傳感器不是通過外殼隔離，這意味著它們的輸出端子可能局部接地。如果傳感器接口DAQ也沒有隔離，那么DAQ也需要接地。在此設計中，DAQ通道已被隔離。這有助于消除接地和電源電平限制，允許DAQ采用雙極性電源設計，以支持更對稱的雙極輸入信號。

輸入保護

采用ADG5421F保護開關為電路提供輸入過壓保護。當輸入電壓超過供電范圍時，內部開關打開，以保護DAQ信號鏈的其余部分。ADG5421F可以承受高達±60 V輸入電壓，并提供低且穩定的RON，這是盡可能減少信號失真的關鍵。

在此設計中，此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，可以將信號鏈輸入配置為交流或直流耦合，電流源可以獨立切換輸入和輸出。

額外添加一個帶小型(10 Ω)串聯電阻的TVS，以幫助改善輸入節點的ESD保護。

ADC選型

在通道隔離要求的推動下，需要使用單通道DAQ解決方案。

這兩個示例展示了AD7768-1的多功能性。在全功率模式下使用時，此ADC可以使用磚墻式數字濾波器(ODR = 256 kSPS)實現110 kHz平坦帶寬，同時仍然實現108 dB動態范圍（采用4.096 V基準電壓）。它還支持使用sinc5濾波器來捕捉時域波形，提供最大1.024 MSPS的輸出數據速率。

AD7768-1還提供行業領先的動態線性度和直流性能。包括提供–120 dB典型THD、1 kHz近滿量程正弦輸入信號、300 nV/°C偏置誤差漂移和0.25 ppm增益誤差漂移。

對于不需要通道隔離的多通道DAQ系統，可使用同一個ADC的四通道(AD7768-4)或八通道(AD7768)版本。

AFE設計

輸入信號需要進行緩沖，以實現所需的阻抗。緩沖放大器需要具備低輸入偏置電流、低噪聲、良好的動態線性度、高直流精度和足夠的帶寬。基于這些要求，我們選擇使用 ADA4610-1 JFET運算放大器。將該放大器配置為單位增益緩沖器，需要采用±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。需要將偽差分信號轉化為全差分信號。這種轉換使測量動態范圍提高了6 dB，大大減少了二次諧波失真。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驅動放大器進行緩沖，以確保穩定ADC輸入。幸運的是，使用一個ADA4945-1全差分ADC驅動放大器的電路設計可以實現所有這些功能，提供低失真，會增加噪聲，但可以保持出色的直流精度。

圖12. 模擬前端中的信號調理。

在此電路中，信號衰減0.33，可以在使用4.096 V ADC基準電壓源時實現±4.096/0.33 = ±12.41 V滿量程輸入擺幅。該信號可以轉換為±4.096 V幅度的全差分信號，并電平轉換為2.5 V（中間電源）共模電壓，以支持FDA輸出和ADC輸入。

如示例1所示，AD7768-1的數字濾波器在ADC采樣頻率周圍的頻段下不提供抑制。在全功率模式下，ADC的有效采樣頻率為16.384 MHz。有源抗混疊濾波器采用ADA4945-1構成，以幫助數字濾波器在整個頻率范圍內實現準確的總帶外信號抑制。此設計是一個三階低通濾波器，采用多反饋架構，提供近巴特沃茲響應。通過ADA4610-1緩沖放大器之前的RC電路增加另一個低通極，以幫助進一步增加FS的混疊抑制。信號鏈的總體頻率響應在440 kHz時具有–3 dB轉折頻率，從而盡可能降低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。這些特性配合使用磚墻式數字濾波器AD7768-1，可以生成無混疊信號鏈，對所有帶外信號提供至少105 dB抑制。

圖13. 示例2信號鏈的總濾波器響應。

隔離和電源管理

關于數字、電源隔離和電源管理解決方案，本文不加以贅述。 ADP1031 等解決方案可以提供SPI接口，以及跨隔離的±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，實現跨通道采樣同步。

DAQ特性
最大輸入范圍	±12.4 V偽差分
最大平坦帶寬 (-3 dB)	110 kHz
Sinc5濾波器ODR最大值	1024 kSPS (–3 dB BW = 209 kHz)
在 110 kHz 帶寬下的動態范圍	優于105 dB
1 kHz近滿量程輸入時的THD	優于-105 dB
增益誤差漂移 *	10 ppm/°C
失調誤差漂移*	5 μV/°C
sinc5 濾波器的功耗	110 mW
磚墻式濾波器的功耗	130 mW
*不包括電阻匹配誤差

示例3

關于一種可替代IEPE傳感器接口DAQ信號鏈設計的方法，請參見CN0540。

CN0540 設計支持0 V至24 V單極輸入范圍，適用于與IEPE傳感器接口、不提供外殼隔離的非通道隔離DAQ系統，在這種情況下，IEPE傳感器和DAQ信號鏈共用同一個接地。此設計支持直流耦合到IEPE傳感器。盡管壓電傳感器不支持直流響應，但直流耦合為該信號鏈提供了優勢，使其可以不受低帶寬交流耦合電路的起動延遲干擾，直接提取低頻振動信息。

相比之下，示例2中所示的信號鏈設計支持雙極輸入信號。它需要在交流耦合模式下工作，以便連接IEPE傳感器，但這個±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會對狀態監控系統中的DAQ信號鏈設計產生哪些影響。希望本文中討論的設計考慮和提供的參考設計示例能幫助系統設計人員在設計狀態監控系統時做出最好的設計選擇。

審核編輯：郭婷