ADI 公司發布的電路筆記 CN-0540，介紹了用于 IEPE 傳感器的 24 位數據采集系統參考設計，涵蓋電路功能、設計細節、性能測試等方面，為相關領域工程師提供設計參考。

*附件：用于 IEPE 傳感器的 24 位數據采集系統.pdf

電路功能與優點

圖 1 所示的參考設計顯示了一個高分辨率、寬帶寬、高動態范圍、兼容集成電子壓電 （IEPE） 的接口數據采集 （DAQ） 系統，該系統與 IC 壓電 （ICP）/IEPE 傳感器連接。最常見的 IEPE 傳感器通常用于測量振動的應用，但也有許多 IEPE 傳感器用于測量溫度、應變、沖擊和位移等參數。^?^

本電路筆記的重點是該解決方案在振動應用中的應用，特別是在基于狀態的監控領域，但在儀器儀表和工業自動化中，有大量應用以類似的方式使用 IEPE 傳感器，并由類似的信號鏈提供服務。

特別是基于狀態的監控，它使用傳感器信息來幫助預測機器狀態的變化。跟蹤機器狀態的方法有很多，但振動分析是最常用的方法。通過跟蹤一段時間內的振動分析數據，可以預測故障或故障以及故障的來源。

由于需要穩健可靠的傳感方法，工業環境中的振動傳感增加了額外的挑戰。了解機器的狀況有助于提高效率和生產力，并創造更安全的工作環境。

市場上大多數與壓電傳感器接口的解決方案都是交流耦合的，缺乏直流和亞赫茲測量功能。CN-0540 參考設計是一種直流耦合解決方案，可實現直流和亞赫茲精度。

通過查看 IEPE 振動傳感器在頻域（直流至 50 kHz）中的完整數據集，可以使用快速傅里葉變換 （FFT） 頻譜中發現的諧波的位置、幅度和數量更好地預測機器故障的類型和來源。

數據采集板是 Arduino 兼容的外形尺寸，可以直接由大多數 Arduino 兼容開發板連接和供電。

1. 電路功能與優勢 ：設計了高分辨率、寬帶寬、高動態范圍的 IEPE 兼容接口數據采集系統，可連接多種 IEPE 傳感器，用于振動、溫度等參數測量。該系統采用直流耦合，能實現直流和亞赫茲精度測量，有助于更好地預測機器故障。數據采集板與 Arduino 兼容，便于集成。
2. 電路設計細節
   • 恒流源 ：采用 LT3092 驅動壓電加速度計，輸出電流可通過外部電阻編程，典型范圍 2-20mA。設計時需考慮噪聲性能，通過調整電阻和電容值降低電流噪聲。
   • 輸入保護 ：ADG5421F 開關可檢測過壓和開路情況，保護 DAQ 系統。當輸入信號超范圍，開關斷開傳感器與采集系統連接，并輸出故障標志。
   • 電壓電平轉換 ：采用反相電壓電平轉換拓撲，可容忍 13V 傳感器偏移電壓和 10Vp-p 信號擺幅。通過計算確定轉換電壓，選擇合適的電阻比，兼顧輸入阻抗、噪聲和 ADC 輸入要求。
   • 直流偏置補償 ：采用自定義逐次逼近算法去除 IEPE 傳感器直流偏置。通過 DAC-ADC 循環調整輸入電壓，使其接近 2.5V 共模電壓，提高測量精度和動態范圍。
   • 電平轉換 DAC ：選用 16 位 LTC2606 DAC，配合外部緩沖器實現 0-5V 轉換范圍，降低輸出電壓噪聲。計算了 DAC 的 LSB 及等效 LSB 大小，分析了其對系統精度的影響。
   • 抗混疊濾波器和 FDA ：采用差分多反饋低通結構，截止頻率 54kHz，增益 2.667。濾波器可抑制高頻噪聲，提高信噪比，滿足壓電加速度計帶寬要求。
   • 模數轉換 ：使用 AD7768-1 24 位 Σ-Δ ADC，具有寬頻帶精度、低功耗等優點。介紹了其輸出數據率計算方法及默認配置，用戶可根據需求調整寄存器設置。
3. 系統性能測試
   • 噪聲性能 ：測量了不同場景下信號鏈噪聲，包括無傳感器和接入 1kΩ 負載電阻情況。分析了恒流源對噪聲的影響，以及不同 ADC 設置下的噪聲和動態范圍。
   • 線性度 ：系統線性度良好，直流線性度（INL）在 ±10ppm 以內，總諧波失真（THD）隨溫度變化穩定，確保測量結果可靠。
   • 交流與直流耦合對比 ：直流耦合可保留信號直流分量，適用于低頻測量；交流耦合通過插入電容實現高通響應，雖動態范圍高，但低頻振動測量靈敏度降低。
   • 系統功耗 ：提供單一 3.3V 供電的電源解決方案，生成 3.3V、5V 和 26V 電壓域。測量了不同 ADC 工作模式下系統功耗，分析了影響功耗的寄存器設置。
4. 電路評估與測試 ：介紹了測試所需設備，包括參考設計板、FPGA、信號源等。詳細說明了測試步驟，如連接硬件、配置軟件、設置信號源等，并展示了典型測試結果，包括時域和頻域數據。
   
5. 常見變化與擴展 ：針對更高通道數系統，推薦使用 AD7768、AD7768-4 等多通道 ADC；還介紹了其他可替代的信號鏈組件，工程師可根據性能、尺寸和成本選擇。