适用于IEPE传感器的24位数据采集系统

时间:2021-03-09来源:电子产品世界

编者按:Circuits from the Lab参考设计是经过测试的参考设计,有助于加速设计,同时简化系统集成,帮助并解决当今模拟、混合信号和RF设计挑战。


功耗测量

功耗测量直接从3.3 V和IOREF供电轨进行。因此,功耗测量包括电源解决方案元件本身的贡献。

由于恒流源,流向26 V供电轨的电流是恒定的,不会随ADC设置而变化。

系统其余部分的功耗在ADC的不同工作模式下进行了测量。信号链输入端放置了一个1 kΩ负载电阻,以为恒流源流出的电流提供一条路径,并在AD8605的输入端保持直流偏置。

功耗

ADC上影响功耗的最重要寄存器设置为

●   电源模式

●   MCLK分频器

●   MCLK频率

●   滤波器类型

●   滤波器抽取率

●   VCM引脚输出分压器

●   模拟输入预充电缓冲器

●   基准电压缓冲

●   通用输入/输出(GPIO)

系统默认配置

对于ADC设置,针对窄带宽测量的系统默认配置如下:

●   MCLK分频器:MCLK/16

●   功耗模式:低功耗模式

●   FIR滤波器,抽取率超过32

●   VCM引脚输出:(AVSS − AVDD)/2

●   基准电压(REF)缓冲器:预充电开启

●   模拟输入(AIN)缓冲器:预充电开启

●   MCLK频率为16.384 MHz

●   使能FDA,低功耗模式

●   使能DAC缓冲器

●   DAC输出设置为半量程

该参考设计中包含的大多数测量均使用系统默认配置。

表7 各种数据速率下的功耗

ADC功耗模式

ADC数据速率

(kSPS)

3.3 V供电轨

(mA)

IOREF

(mA)

总电流

(mA)

快速1

256

74

9

83

中2

128

58

4

62

低2

32

50

1

51

1FDA处于全功率模式。

2FDA处于低功耗模式。

AD7768-1上的模拟输入和基准电压输入缓冲器设置为预充电模式。ADA4945-1 FDA设置为低功耗模式。在全功率模式下,FDA可以提供更宽的带宽和更好的线性度性能。但是,由于此设计的目标带宽小于50 kHz,因此低功耗模式就够了。通过使能AD7768-1内部预充电缓冲器,可以实现更好的线性度和噪声性能,而不会显著增加系统功耗。有关匹配驱动器放大器以及使用AD7768系列的输入缓冲选项的更多信息,参见应用笔记AN-1384。

常见变化

对于更高通道数的系统,多通道AD7768和AD7768-4是AD7768-1的合适替代产品。ADC的噪声和线性度与AD7768-1相似,但这些器件的优势是可在单个芯片中提供多达8个同步通道,从而简化多通道IEPE DAQ设计的实现。

其他可以考虑用于振动和状态监控信号链的ADC有AD4000、AD4002和AD7380。

ADA4610-1适用于第一级信号调理和电平转换,但需要更高的电源电压才能正常工作。ADA4807-1和ADA4940-1是ADC输入抗混叠滤波器和驱动器级的替代产品。

ADAQ7980/ADAQ7988是16位ADC μModule®数据采集系统,ADC和ADC驱动器级以及最关键的无源元件均被集成到系统级封装(SiP)设计中。建议在尺寸或实现的简易性更为关键的场合使用这些器件。

这些方案允许根据性能(噪声或线性度)、解决方案尺寸和成本来选择信号链元件。

电路评估与测试

下面概述CN-0540电路设计的测试程序和结果的收集。有关硬件和软件设置的完整详细信息,参见CN-0540用户指南。

设备要求

需要以下设备:

●   EVAL-CN0540-ARDZ参考设计板

●   Terasic DE10-Nano FPGA

●   带有CN-0540参考软件的FPGA Linux镜像

●   带有高清多媒体接口(HDMI®)端口的显示器

●   HDMI转HDMI电缆

●   带有USB加密狗的无线键盘和鼠标

●   USB on-the-go (OTG)电缆(micro USB转USB)

●   精密交流电源(例如,Brüel&Kjær AP2700或类似精密正弦波发生器)

●   带BNC和SMA终端的同轴电缆

ADI 电路笔记 0540 图16 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图16 CN-0540参考设计板的3D渲染图

开始使用

基本测试设置要求将EVAL-CN0540-ARDZ板插入支持的FGPA载板。载板需要为EVAL-CN0540-ARDZ板供电、运行嵌入式Linux镜像、捕获数据并显示数据。该软件可从ADI公司网站获得,其支持Terasic DE10-Nano和类似的Arduino兼容FPGA载板。

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图17 设置框图

要测试该板的基本功能,请将精密高质量正弦波或任意波形发生器连接到EVAL-CN0540-ARDZ板的模拟输入连接器。

分步说明如下:

1.插入Arduino接头,将EVAL-CN0540-ARDZ评估板安装到载板上(Terasic DE10-Nano),如图18所示。

ADI 电路笔记 0540 图18 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图18 EVAL-CN0540-ARDZ安装在Terasic DE10-Nano载板上

2.将同轴电缆的BNC端连接到信号源单端或不平衡输出,另一端连接到EVAL-CN0540-ARDZ模拟输入SMA连接器(参见图19)。

ADI 电路笔记 0540 图19 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图19 同轴电缆连接到CN-0540模拟输入连接器的特写照片

3.将ADI FPGA Linux镜像加载到micro SD卡上。

4.配置micro SD卡以对CN-0540和载板使用正确的文件。

5.将HDMI电缆从Terasic DE10-Nano连接到显示器。

6.将USB OTG电缆连接到Terasic DE10-Nano上的micro USB端口,然后插入无线鼠标/键盘的USB加密狗。

7.使用所提供的电源,将管式插孔连接到DE10-Nano,然后接通Terasic DE10-Nano电源开关。

8.按照如下步骤开启正弦或任意波形发生器的电源:

a.将信号类型设置为正弦波。

b.在1 kHz下将电平设置为1 V p-p。

c.使能输出。

9.运行该软件并捕获生成的ADC数据和FFT数据。

图20和图21中的两幅图显示了按照步骤1至步骤9所述进行配置时载卡的预期典型捕获结果。图20显示了ADC捕获数据的时域视图,说明了多个样本的预期幅度。

ADI 电路笔记 0540 图20 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图20 时域数据

图21显示了经过处理后显示为频域FFT图的相同数据。

ADI 电路笔记 0540 图21 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图21 所捕获数据的FFT

有关硬件和软件设置的更多信息,请参阅CN-0540用户指南以了解详情。

压电加速度计传感器结果

为了实现合理的噪声测量,必须让压电加速度计保持稳定——要么使用主动振动台来抵消环境振动,要么将其固定在大型物体上以减少从环境中拾取的振动。在压电加速度计直接连到信号链输入端的场合,使用了固定到大型物体的方法。所用传感器为Piezotronics PCB 333B52型3 kHz传感器。

图22显示了连接传感器时获得的FFT的比较性能图。系统的噪声主要由传感器信号决定。

ADI 电路笔记 0540 图22 - 适用于IEPE传感器的24位数据采集系统.jpg

图22 连接有无源稳定压电传感器的直流耦合解决方案的FFT

了解更多

CN0540用户指南

ADC驱动器工具

MS-2066技术文章,传感器电路的低噪声信号调理

AN-1384:驱动放大器与

AD7768/AD7768-4或AD7768-1配合使用

数据手册和评估板

CN-0540电路评估板(EVAL-CN0540-ARDZ)

LT3092数据手册

LT3092EDD演示板

AD8605数据手册

ADA4945-1数据手册

ADA4945-1评估板

AD7768-1数据手册

AD7768-1评估板

LTC2606数据手册

LTC2606 DAC演示板

ADA4807-1数据手册

ADR4540 Data Sheet

ADR4540数据手册

ADA4807-2数据手册

LTC3459数据手册

LT3494数据手册

LT3008数据手册

ADP7118数据手册

ADP7118评估板

I2C指最初由Philips Semiconductors(现为NXP Semiconductors)开发的一种通信协议。

Circuits from the Lab电路仅供与ADI公司产品一起使用,并且其知识产权归ADI公司或其授权方所有。虽然您可以在产品设计中使用参考电路,但是并未默认授予其它许可,或是通过此参考电路的应用及使用而获得任何专利或其它知识产权。ADI公司确信其所提供的信息是准确可靠的。不过,Circuits from the Lab电路是以“原样”的方式提供的,并不具有任何性质的承诺,包括但不限于:明示、暗示或者法定承诺,任何适销性、非侵权或者某特定用途实用性的暗示承诺,ADI公司无需为参考电路的使用承担任何责任,也不对那些可能由于其使用而造成任何专利或其它第三方权利的侵权负责。ADI公司有权随时修改任何参考电路,恕不另行通知。

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关键词: SNR DAQ FDA ADC

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