噪声、振动和声振粗糙度 (NVH) 汽车解决方案

模拟输出ADXL356和数字输出ADXL357均为低噪声密度、低0 g失调漂移、低功耗、3轴加速度计，具有可选测量范围。ADXL356B支持±10 g和±20 g范围，ADXL356C支持±10 g和±40 g范围，ADXL357支持±10 g、±20 g和±40 g范围。

ADXL356/ADXL357在温度范围内提供业界领先的噪声、最小失调漂移和长期稳定性，可实现校准工作量极小的精密应用。

低失调、低噪声和低功耗ADXL357可在机载IMU等高振动环境下实现精确的倾斜测量。ADXL356在更高频率范围内具有低噪声特性，非常适合无线条件监控。

ADXL357多功能引脚名称仅可由SPI或受限I²C接口的相关功能引用。

应用

• 惯性测量单元(IMU)/航姿和航向参考系统(AHRS)
• 平台稳定系统
• 结构健康监控
• 地震成像
• 倾斜检测
• 机器人
• 状态监控

ADXL1001/ADXL1002 在具有两个满度范围选项的拓展频率范围内提供超低的噪声密度，并且提供优化的工业条件监测能力。ADXL1001 (±100 g) 和 ADXL1002 (±50 g) 分别具有 30 μg/√Hz 和 25 μg/√Hz 的典型噪声密度。两款加速度计器件均具有稳定、可重复的灵敏度，并且可以承受高达 10,000 g 的外部冲击。

ADXL1001/ADXL1002 拥有集成的全静电自检 (ST) 功能和超范围 (OR) 指示器，可以提供先进的系统级功能并可用于嵌入式应用。凭借低功耗和 3.3 V 至 5.25 V 的单电源供电，ADXL1001/ADXL1002 还允许进行无线感测产品设计。ADXL1001/ ADXL1002 提供 5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP 封装，可在 −40°C 至 +125°C 的温度范围内工作。

应用

• 条件监测
• 预测性维护
• 资产健康
• 测试与测量
• 健康与使用监测系统 (HUMS)

ADAQ7768-1是一款24位精密数据采集(DAQ) μModule^® 系统，它将信号调理、转换和处理模块集成到单个系统级封装(SiP)设计中，从而能够快速开发高度紧凑、高性能的精密DAQ系统。

ADAQ7768-1由以下部件组成：

• 低噪声、低偏置电流、高带宽可编程增益仪表放大器(PGIA)，在保持高输入阻抗的同时还能够实现信号放大和信号衰减。
• 四阶、低噪声、线性相位抗混叠滤波器。
• 低噪声、低失真、高带宽ADC驱动器以及可选线性度升压缓冲器。
• 集成可编程数字滤波器的高性能中等带宽24位Σ-Δ 型ADC。
• 低噪声、低压差线性稳压器。
• 基准电压缓冲器。
• 信号链所需的关键无源元件。

ADAQ7768-1支持最大范围为±12.6V的全差分输入信号。它具有±12V的输入共模电压范围以及出色的共模抑制比(CMRR)。

输入信号完全缓冲，具有低至2 pA（典型值）的输入偏置电流。这样可轻松实现输入阻抗匹配，并使ADAQ7768-1能够直接连接至具有高输出阻抗的传感器。

7种引脚可配置增益设置提供额外的系统动态范围，较低幅度的输入信号可改善信号链噪声性能。

四阶低通模拟滤波器与用户可编程数字滤波器相结合，确保信号链得到充分的保护，以防高频噪声和输入节点上出现的带外信号音混叠回目标频段。模拟低通滤波器经过精心设计，可实现高相位线性度和最大带内幅度响应平坦度。模拟低通滤波器中使用的电阻网络采用ADI公司的iPASSIVES^™ 技术构建，在绝对值和整个温度范围内均提供出色的电阻匹配。因此，信号链性能在温度漂移非常小的情况下保持不变，ADAQ7768-1具有出色的器件间相位匹配性能。

高性能ADC驱动器放大器可确保ADC输入在最大采样速率下完全稳定建立。驱动器电路旨在尽可能降低附加噪声、误差和失真，同时保持稳定性。全差分架构有助于充分扩大信号链动态范围。

ADAQ7768-1内部的模数转换器(ADC)是一款高性能、24位精度、单通道Σ-Δ型转换器，具有出色的交流性能和直流精度以及256 kSPS的吞吐速率（16.384 MHz MCLK下）。

可选线性度升压缓冲器可进一步提高信号链线性度。

ADAQ7768-1的额定输入基准电压为4.096 V，但该器件可支持从VDD_ADC低至1 V的基准电压。

ADAQ7768-1有两类基准电压缓冲器：一种预充电基准电压缓冲器用于简化基准输入驱动要求，另一种全基准电压缓冲器用于提供高阻抗基准输入。两种缓冲器可选，可通过寄存器配置关断。

ADAQ7768-1支持三种时钟输入类型：晶振、互补金属氧化物半导体(CMOS)或低电压差分信号(LVDS)。

ADAQ7768-1中提供三类数字低通滤波器。宽带滤波器提供与理想的砖墙式滤波器类似的滤波器配置，使其非常适合进行频率分析。Sinc5滤波器提供低延迟路径和平滑的阶跃响应，同时保持良好的混叠抑制水平。它还支持高达1.024 MSPS的输出数据速率（16.384 MHz MCLK下），使Sinc5滤波器非常适合低延迟数据采集和时域分析。Sinc3滤波器支持宽抽取率，可产生低至50 SPS的输出数据速率（16.384 MHz MCLK下）。该Sinc3滤波器与同时运行的50Hz/60Hz抑制后置滤波器相结合，使其特别适合精密直流测量。ADAQ7768-1中的所有三个数字滤波器均为具有线性相位响应的FIR滤波器。这些滤波器的带宽直接对应于DAQ信号链的带宽，可通过寄存器配置完全编程。

ADAQ7768-1还支持两种器件配置方法。用户可以选择使用其SPI接口，通过寄存器写入来配置器件，或者使用简单的硬件引脚绑定方法来配置器件，以便在各种预定义模式下工作。

单个SPI接口支持寄存器访问和样本数据回读功能。ADAQ7768-1始终充当SPI目标。它支持多种接口模式，至少需要三个IO通道才能与器件通信。

ADAQ7768-1还具有一套内部诊断功能，可检测运行期间的各种错误，帮助提高系统可靠性。

ADAQ7768-1的工作温度范围为−40°C至+85°C，采用12.00 mm × 6.00 mm、84引脚CSP_BGA封装，具有0.80 mm引脚间距，非常适合多通道应用。ADAQ7768-1仅占用75 mm²的电路板空间，比占用750 mm²的分立式解决方案小10倍。

应用

• 通用输入测量平台
• 电气测试和测量
• 声音和振动、声波和材料科学研发
• 控制和硬件循环验证
• 针对预测性维护的状态监控
• 音频测试

AD4000/AD4004/AD4008 都是高精度、高速、低功耗、16 位精密逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC)。这些 ADC 具有易驱动 (Easy Drive) 功能，例如高阻抗模式和扩展采集阶段，通过扩展可与这些 ADC 配对的配套电路范围，可提供信号链架构灵活性。

这些 ADC 采用单电源 (VDD) 供电，允许在外部应用基准电压源 V_REF，并独立于电源电压进行设置。AD4000/AD4004/AD4008 具有高达 2 MSPS 的快速套件吞吐量，可以准确捕获高频信号并实施过采样技术，以缓解与抗混叠滤波器设计相关的挑战。此外，这些 ADC 的功耗与吞吐量呈线性关系。

AD4000/AD4004/AD4008 采用输入范围压缩来消除对 ADC 驱动器放大器的负电源需求，同时保留完整的 ADC 代码范围。此外，输入过压箝位可保护 ADC 输入，防止受到过压事件的影响，最大限度地降低了对参考引脚的干扰，而且不再需要使用外部保护二极管。

通过降低串行外围接口 (SPI) 时钟频率要求，AD4000/AD4004/AD4008 降低了数字输入和输出功耗，扩展了数字主机选项，并简化了跨数字隔离发送数据的任务。通过使用独立的 VIO 逻辑电源，SPI 兼容串行用户接口支持 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 逻辑。

应用

• 自动测试设备
• 机器自动化
• 医疗器械
• 电池供电设备
• 精密数据采集系统
• 仪器仪表和控制系统

无线振动监测平台是一个针对基于MEMS加速度计的振动监测的无线信号链的系统评估解决方案。该系统解决方案整合了机械附件、硬件、固件和PC软件，可以快速部署和评估三轴振动监测解决方案。该模块可以通过¼-28螺柱直接连接到电机或固定装置。作为状态监控(CbM)系统的一部分，它也可以与同一无线Mesh网络上的其他模块组合使用，提供具有多个传感器节点的范围更广的图像。

解决方案概览

CbM硬件信号链包含一个安装在模块底座上的三轴ADXL356加速度计。ADXL356输出使用三个AD7685 16位菊花链ADC进行调理并转换为数字输出。ADC输出缓冲并转换为ADuCM4050低功耗微控制器中的频域并流传输至SmartMESH IP终端。从SmartMESH芯片，将芯片时域和FFT数据无线传输到SmartMESH IP管理器。管理器连接到PC，可以进行可视化处理和数据保存。数据显示为原始时域数据和FFT数据。还提供了有关时间汇总数据的其他摘要统计信息。提供了PC端GUI的完整Python代码以及部署于模块上的C语言固件，以便客户修改。

EV-CBM-VOYAGER3-1Z评估套件包括如下器件：

• SmartMesh IP管理器(DC2274A) USB加密狗
• 无线振动监测平台
• JTAG电缆（仅固件升级需要）

EV-CBM-VOYAGER3-2Z评估套件包括如下器件：

• 无线振动监测平台
• 电池

Condition-based monitoring (CbM) is one form of predictive maintenance that uses sensors to assess status of equipment overtime while the equipment is operating. The collected sensor data can establish baseline trends, such as, diagnose or even predict failure. Utilizing CbM, maintenance is performed when needed as opposed to the conventional periodic preventive maintenance model, saving both time and money.

Vibration monitoring is a common type of CbM measurement because changes in vibration trends are potentially indicative of wear or other failure modes. To measure vibration data, high bandwidth (10 kHz and more), ultralow noise (100 µg/√Hz or lower) piezoelectric sensors were historically used to satisfy these requirements. The established sensor interface for piezo sensors is integrated electronics piezoelectric (IEPE), as a result, IEPE has become a de facto interface in CbM vibration ecosystem.

With recent advancements in the microtechnology processes and fabrication techniques, MEMS accelerometers have caught up with piezoelectric sensors low noise levels and supersede in other many specifications, such as dc to low frequency response, thermal stability, shock resistance and recovery, and cost. The output of MEMS sensors, however, are either conventional 3-wire analog (ground, power, and signal) or digital if integrated with an ADC. Neither output are directly compatible with IEPE, the preferred CbM industry sensor interface.

This reference design enables a direct piezoelectric sensor IEPE replacement with benefits of high bandwidth, ultralow noise MEMS accelerometers. This circuit allows customers to easily evaluate a MEMS accelerometer for CbM applications.

图1所示的参考设计是一款高分辨率、宽带宽、高动态范围的、IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric)兼容接口数据采集(DAQ)系统，其与ICP^® (IC Piezoelectric)/IEPE传感器接口。IEPE传感器最常用于振动测量应用，但也有很多IEPE传感器用于测量温度、应变、冲击和位移等参数。

本电路笔记聚焦于该解决方案的振动应用，尤其是状态监控领域，但仪器仪表和工业自动化领域也有大量应用以类似方式使用IEPE传感器，并且由类似的信号链提供服务。

具体而言，状态监控使用传感器信息来帮助预测机器状态的变化。跟踪机器状态的方法有很多，但振动分析是最常用的方法。通过跟踪振动随时间的分析数据，可以预测故障或失效以及故障源。

工业环境需要稳健可靠的检测方法，这给振动检测增加了难度。了解机器的状况有助于提高效率和生产率，并使工作环境更安全。

市场上大多数与压电传感器接口的解决方案都是交流耦合式，缺乏直流和亚赫兹测量能力。 CN-0540参考设计是一种直流耦合解决方案，可实现直流和亚赫兹精度。

通过查看IEPE振动传感器在频域（直流至50 kHz）中的完整数据集，并使用快速傅立叶变换(FFT)频谱中发现的谐波的位置、幅度和数量，可以更好地预测机器故障的类型和来源。

数据采集板为Arduino兼容外形尺寸，可以直接与大多数Arduino兼容开发板接口并由后者供电。

在工业应用中，基于振动检测的机器状态监控(CbM)越来越重要。公司寻求优化机械寿命和性能并降低拥有成本，同时有些企业试图围绕此类信息的提供开发新的业务模式。为了准确表示需要监控的机械，必须收集大数据集以确定设备在正常工作模式下和故障情况下的基线工作点。一旦收集到这些数据，便可创建算法或阈值检测例程来为该设备提供正确的分析。

CbM需要捕获全带宽数据，以确保时域和频域中的所有谐波、混叠及其他机械相互作用都得到考虑。这种数据收集需要高性能传感器和数据采集(DAQ)系统，以便向数据分析工具或应用程序提供高保真度的实时数据。

使用成熟的工具（如MATLAB^®）或基于Python的较新工具（如Tensorflow），可以大大简化数据分析、机械性能分析和智能决策算法的创建。

由于有传感器，振动检测传统上已在大多数CbM应用中占主导地位，分析背后的科学原理得到了更好的理解。集成电子压电(IEPE)标准是当今工业中普遍使用的高端微电子机械系统(MEMS)和压电传感器的流行信号接口标准。

Integrated electronics piezoelectric (IEPE) and IEPE-compatible accelerometers and velocity sensors are used in a wide array of condition-based monitoring (CbM), building monitoring, and structural analysis applications. Often multiple channels are used to measure 3-dimensional acceleration at a single location, or multiple 1-dimensional measurements at several locations.

Benchtop data acquisition (DAQ) systems are applicable in research and calibration environments, however these usually come in sizes and at costs that are not conducive for direct integration into end applications.

The circuit shown in Figure 1 is a self-contained, USB-based quad-input channel IEPE data acquisition system. The four channels are simultaneously sampled with 24-bit resolution and have a sample rate of up to 256 kSPS. The signal chain is dc-coupled, providing frequency response to 0 Hz, while a dc offsetting circuit maximizes the dynamic range. Each input channel includes a constant current source for powering standard IEPE sensors. All data signals and power rails are derived from a single USB 3.0 connection.

The system also includes an on-board direct digital synthesis (DDS) signal generator, which can be used for electrical calibration or as an excitation source to a shaker table or vibration calibrator for sensor and system-level calibration.

Data can be captured and analyzed with the companion software application, and custom software can be developed using the provided application programming interface (API).