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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(chǎng)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?；プ杩梗↖-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(xiàn)）。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(mǎn)量程范圍(FSR)也以灰色虛線(xiàn)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(xiàn)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?chē)娐贰?/div>