自動車環境における騒音、振動、ハーシュネス（NVH）

ADXL1001/ADXL1002は2種類のフルスケール・レンジ・オプションを提供し、幅広い周波数範囲にわたり超低ノイズ密度を実現し、産業用状態監視製品に適しています。ADXL1001 (±100 g) と ADXL1002 (±50 g)の代表的なノイズ密度はそれぞれ30 μg/√Hz と 25 μg/√Hzです。 2つの加速度センサー・デバイスの感度は安定しており、再現性があり、10,000 gまでの外部ショックに耐えられます。

ADXL1001/ADXL1002 は完全な静電気セルフテスト(ST) やオーバーレンジ(OR)インジケータを備えており、組み込みアプリケーションに役立つ高度なシステム・レベルの機能を可能にします。ADXL1001/ADXL1002は、又低消費電力で3.3 V ～ 5.25 Vの単電源で動作するので、ワイヤレス・センシング製品の設計を可能にします。これらの製品は5 mm×5 mm× 1.80 mm、LFCSPパッケージを採用し、-40～+125°Cの温度範囲にわたって動作が規定されています。

アプリケーション

• 状態監視
• 予知保全
• 資産の健全性
• テストおよび計測機器
• HUMS（Health usage monitoring systems ）

TADAQ7768-1は、24ビット高精度データ・アクイジション（DAQ）µModule^®システムで、シグナル・コンディショニング、変換、処理の各ブロックが1つのシステム・イン・パッケージ（SiP）設計に組み込まれており、小型で高性能な高精度DAQシステムを俊敏に開発することを可能にします。

ADAQ7768-1の構成要素は次のとおりです。

• 高入力インピーダンスを維持しながら信号増幅と信号減衰も可能な、低ノイズ、低バイアス電流、広帯域のプログラマブル・ゲイン計装アンプ（PGIA）
• 4次の低ノイズ、リニア位相のアンチエイリアシング・フィルタ
• 低ノイズ、低歪み、広帯域のADCドライバとオプションの線形昇圧バッファ
• プログラマブル・デジタル・フィルタを備えた高性能中帯域24ビットのシグマ・デルタADC
• 低ノイズ、低ドロップアウトのリニア電圧レギュレータ
• リファレンス・バッファ
• シグナル・チェーンに必要なクリティカル・パッシブ・コンポーネント

ADAQ7768-1は、最大で±12.6Vの範囲の完全差動入力信号に対応します。入力コモンモード電圧範囲は±12Vで、優れた同相ノイズ除去比（CMRR）を示します。

入力信号は、2pA（代表値）という非常に小さい入力バイアス電流で完全にバッファされます。これにより、入力インピーダンス・マッチングが容易になり、ADAQ7768-1を高出力インピーダンスのセンサーに直接インターフェースできます。

ピン設定可能な7通りのゲイン設定値によって、システムのダイナミック・レンジを拡張でき、振幅の小さい入力信号に対してもシグナル・チェーンのノイズ性能を向上できます。

4次ローパス・アナログ・フィルタとユーザ・プログラマブルなデジタル・フィルタを組み合わせることで、シグナル・チェーンは、対象の帯域に折り返されて入力ノードに現れる高周波数ノイズと帯域外トーンに対して十分に保護されます。アナログのローパス・フィルタは、高い位相直線性と最大の帯域内応答平坦性が得られるよう、慎重に設計されています。アナログ・ローパス・フィルタ内で使用されている抵抗ネットワークは、アナログ・デバイセズのiPASSIVES™技術で構築されており、絶対値においても温度変動に対しても優れた抵抗マッチングを示します。その結果、シグナル・チェーン性能の温度に対するドリフトは最小限に抑えられ、ADAQ7768-1のデバイス間位相マッチング性能が優れたものとなっています。

高性能ADCドライバ・アンプは、ADC入力を最大サンプリング・レートに確実に設定します。ドライバ回路は、安定性を維持しながらもノイズ、誤差、歪みの増加は最小限に抑えるよう設計されています。完全差動アーキテクチャは、シグナル・チェーンのダイナミック・レンジを最大化するのに役立っています。

ADAQ7768-1内のA/Dコンバータ（ADC）は、高性能な24ビット高精度単一チャンネル・シグマ・デルタ・コンバータで、優れたAC性能とDC精度を持ち、16.384MHzのMCLKを使って256kSPSのスループット・レートで動作します。

オプションのリニア昇圧バッファは、シグナル・チェーンの直線性を更に向上します。

ADAQ7768-1は、4.096Vの入力リファレンス電圧で仕様規定されていますが、デバイスは、VDD_ADCから1Vまでの範囲のリファレンス電圧範囲に対応します。

ADAQ7768-1には2種類のリファレンス・バッファがあります。リファレンス入力の駆動条件を緩和するプリチャージ・リファレンス・バッファと、高インピーダンス・リファレンス入力を提供する完全なリファレンス・バッファです。どちらのバッファもオプションで、レジスタ設定によってオフにできます。ADAQ7768-1は、水晶発振器、CMOS、LVDSの3通りの入力に対応しています。

ADAQ7768-1では3種類のデジタル・ローパス・フィルタを使用できます。広帯域フィルタは、理想的なブリック・ウォール・フィルタに似たフィルタ・プロファイルを備え、周波数分析を行うためには最適です。sinc5フィルタは、滑らかなステップ応答を持つ低遅延のパスを提供すると同時に、十分なレベルのエイリアシング除去を維持します。また、このフィルタは16.384MHz MCLKからの最大1.024MHzの出力データ・レートに対応しているため、低遅延データ・キャプチャと時間領域分析に最適です。sinc3フィルタは、広いデシメーション・レシオに対応し、16.384MHz MCLKから最小50SPSの出力データ・レートを生成できます。これを50/60Hz同時除去ポスト・フィルタを組み合わせることで、sinc3フィルタは、高精度DC測定に特に有用なものとなります。ADAQ7768-1にあるこれら3つのデジタル・フィルタはすべて、リニア位相応答のFIRフィルタです。フィルタの帯域幅は、DAQシグナル・チェーンの帯域幅に直接対応し、レジスタの設定を通じて完全にプログラマブルです。

ADAQ7768-1は、2つのデバイス設定方法もサポートしています。ユーザには、SPIインターフェースを通じたレジスタ書込みによってデバイスを設定するオプションと、単純なハードウェア・ピン・ストラッピング法を使用してデバイスをいくつかの事前に定義されたモードで動作するよう設定するオプションがあります。

1つのSPIインターフェースによって、レジスタ・アクセス機能とサンプル・データ・リードバック機能の両方に対応します。ADAQ7768-1は常にSPIスレーブとして動作します。複数のインターフェース・モードが、デバイスと通信を行うために必要な最小3つのIOチャンネルでサポートされています。

また、ADAQ7768-1は、内部診断機能一式を備えており、動作中に広範なエラーを検出できるため、システム安定性の向上に役立っています。ADAQ7768-1デバイスの動作温度範囲は−40℃～+105℃で、0.8mmボール・ピッチの12mm × 6mm 84ボールBGAパッケージで提供されます。ADAQ7768-1が占有するボード面積はわずか75平方mmで、750平方mmを使用するディスクリート・ソリューションに比べ1/10となっています。

アプリケーション

• ユニバーサルな入力測定プラットフォーム
• 電気テストおよび計測
• 音響、音波、材料科学のR&D
• ループ検証における制御とハードウェア
• 予防メンテナンスのための状態監視
• オーディオ試験

AD4000/AD4004/AD4008は、低消費電力の高速16ビットEasy Drive高精度逐次比較レジスタ（SAR）A/Dコンバータ（ADC）です。高スループットにより、高周波数信号の正確なキャプチャとデシメーションが可能になり、アンチエイリアシング（折返し誤差防止）・フィルタの課題を抑えつつ、S/N比を高めることができます。

Easy Drive機能は、シグナル・チェーンの​​複雑さと消費電力を低減し、高いチャンネル密度を実現します。特に高インピーダンス・モードと長いアクイジション・フェーズを組み合わせることにより入力電流が減り、専用の高出力、高速ADCドライバが不要になり、低消費電力、高精度アンプの範囲を広げ、これらのADCを直接駆動できます（図2参照）。入力スパン圧縮機能を備えているので、負電源なしでADCドライバ・アンプとADCを共通の電源レール以外で動作させながら、ADCコードの全範囲を維持できます。入力過電圧クランプにより、過電圧状況でADC入力を保護し、リファレンス・ピン上での乱れを最小限にとどめるため
、外部保護ダイオードが不要になります。

シリアル周辺機器インターフェース（SPI）の​低クロック・レート（ターボ・モードの2MSPSでAD4000用に70MHz）では、デジタル入出力の消費電力量を減らし、プロセッサの選択肢を広げ、デジタル・アイソレーション間でデータを送信するタスクを簡略化します。

SPI互換の多用途シリアル・インターフェース​では、オプションのビジー・インジケータ付きの7つのプログラマブル・モードを備えています。SDI入力を使用して、複数のADCをシングル3線式バス上で、デイジーチェーン接続できます。AD4000/AD4004/AD4008は、独立した電源VIOを使用することで、1.8V、2.5V、3V、5Vのロジックに対応します。

アプリケーション

• ATE（自動試験装置）
• マシン・オートメーション
• 医療機器
• バッテリ駆動装置
• 高精度のデータ・アクイジション・システム

状態基準保全（CbM）は予防メンテナンスの 1 つの方式で、動作中の機器の状態をセンサーを使用して長期間にわたり評価します。収集したセンサー・データを使用して、ベースライン・トレンドの確立や診断の他、故障を予測することも可能です。従来の定期的な予防メンテナンスと異なり、CbM を利用すると、必要なときにメンテナンスを実施できるため、時間とコストの両方を削減できます。

CbM 測定で一般的に行われるのが振動モニタリングです。なぜなら、振動の傾向の変化は、摩耗などの故障モードが発生している可能性を示しているからです。従来、振動データの測定には広帯域幅（10kHz 以上）、超低ノイズ（100µg/√Hz 以下）の圧電式センサーを使用して、CbM 測定に求められる条件を満たしてきました。圧電式センサー用に確立されたセンサー・インターフェースが集積電子圧電方式（IEPE）です。結果として、IEPEはCbMの振動エコシステムにおいて事実上の標準インターフェースになりました。

近年のマイクロテクノロジーにおけるプロセスと製造技術の進歩により、MEMS 加速度センサーは圧電式センサーの低ノイズ・レベルに追いつき、DC～低周波数の応答、熱的安定性、衝撃に対する耐性と回復性能、コストなど、他の多くの仕様では圧電式センサーを置き換えるほどになっています。しかし、MEMS センサーの出力は、従来型の 3 線式アナログ方式（グラウンド、電源、および信号）か、ADC と組み合わせたデジタル方式です。どちらの出力も、CbM で推奨される産業用センサー・インターフェースである IEPE と直接の互換性はありません。

このリファレンス設計を使用することで、圧電式センサーによる IEPE から、広帯域、超低ノイズ MEMS 加速度センサーへの置き換えが可能になります。この回路によって、MEMS 加速度センサーを使用した CbM アプリケーション向けの評価が簡単にできます。 

図 1 に示すリファレンス設計は、高分解能、広帯域幅、高ダイナミック・レンジを特長とし、IC 圧電（ICP®）/集積化電子圧電型（IEPE）センサーとインターフェース接続する、IEPE 対応インターフェースのデータ・アクイジション（DAQ）システムです。最も一般的な IEPE センサーは、通常、振動測定アプリケーションで使用されますが、温度、歪み、衝撃、変位などのパラメータを測定する IEPE センサーも数多くあります。

この回路ノートでは、このソリューションを特に状態基準保全の領域で振動を扱うアプリケーションに適用する例に焦点を置いていますが、計測器や工業用オートメーションにおける広範なアプリケーションも、同様の方法で IEPE センサーを使用し、同様のシグナル・チェーンによって処理されています。

状態基準保全では、とりわけ、機械の状態の変化を予測する手助けとしてセンサー情報を使用しています。機械の状態を追跡する方法は数多くありますが、中でも振動解析は最も一般的に使用される手段です。振動解析データの時間変動を追跡することで、誤動作や故障をその原因と共に予測することができます。

工業環境での振動センシングには、堅牢で信頼性の高いセンシング手法が求められるため、更なる課題が伴います。機械の状態を知ることで、効率や生産性を高め、より安全な作業環境を作ることができます。

市販の圧電センサーとインターフェース接続するソリューションの大半は AC 結合で、DC やサブヘルツの計測機能がありません。このCN-0540 リファレンス設計は、DC およびサブヘルツの精度が実現できる DC 結合ソリューションです。

周波数ドメイン（DC～50kHz）の IEPE 振動センサーからの全データ・セットを調べ、その高速フーリエ変換（FFT）スペクトルに見られる高調波の位置、振幅、数を使用することで、機械の故障のタイプや原因をより正確に予測できます。

データ・アクイジション・ボードは Arduino 互換のフォーム・ファクタで、ほとんどの Arduino 互換開発ボードと直接インターフェース接続し、そこから給電できます。

振動検出を使用する機械の状態基準保全（CbM）が、工業用アプリケーションにおいて重要性を増しています。企業は機械類の寿命と性能の最適化、および総所有コストの削減に努めており、その一方で、このような情報に備えることを中心とした新たなビジネス・モデルの開発に関心を寄せる企業もあります。モニタリングを必要とする機械類の状態を正確に表すには、大量のデータセットを収集して、通常動作モードと故障状態の両方について、その装置の基準となる動作ポイントを決定する必要があります。一度このデータを収集すれば、その装置を正確に分析するためのアルゴリズムまたは閾値検出ルーチンを作成することができます。

CbM を行うには、時間領域と周波数領域の両方で、すべての高調波、エイリアス、その他の機械的相互作用を考慮できるように、全帯域幅におよぶデータを収集する必要があります。このデータ収集には、高性能のセンサーと、忠実度の高いリアルタイムのデータをデータ解析用のツールやアプリケーションに提供することのできるデータ・アクイジション（DAQ）システムが必要です。

MATLAB^®などの実績あるツールや、Tensorflow などのより新しい Python ベースのツールを使用すれば、スマート機能を利用した意思決定のためのデータ分析、機械プロファイリング、アルゴリズム作成が大幅に簡素化されます。

振動検出は、従来もほとんどの CbM アプリケーションの主流を占めていますが、これは様々なセンサーを利用できること、および分析の背景となる科学への理解が進んでいることによります。集積電子圧電（IEPE）標準は、今日の工業分野の主流となっているハイエンドの微小電気機械システム（MEMS）センサーや圧電センサー用として、広く使われているシグナリング・インターフェース標準です。