电路功能及优点

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图1所示的电路是一种高线性、低噪声、宽带宽振动检测解决方案。该方案适用于要求宽动态范围（±70 g、±250 g 或±500 g）以及平频响应(从直流到22 kHz）的应用。

该电路为轴承分析、发动机监测和振动检测提供了低功耗解决方案。

享有AD第五代专利iMEMs®工艺让 ADXL001加速度计±70 g扩展至±500 g的扩展动态范围，且带宽为22 kHz。

AD8606是一种精密、低噪声、双通道操作放大器，用于创建模拟双二阶滤波器，使加速度计的输出频率响应更加平静。

ADXL001输出电压低功耗，单通道12位SAR ADC AD7476 转换为数字。

图1. 单轴振动分析系统

电路描述

加速度计输出特性

ADXL001测试的额定电源电压为3.3 V和5 V。虽然该装置可以使用3 V至6 V范围内的任何电源围内工作，但使用5 V电源可获得最佳的整体性能。

输出电压灵敏度与电源电压成比例。.3 V标称输出灵敏度为16 mV/g。采用5 V灵敏度为24.2 mV/g。

0 g输出电平也是比例电平，标称值是 VDD/2。

只要1 MHz内部时钟频率无噪音，ADXL001只需要一个001.1μF去耦电容。如有必要，可包含大容量电容(1μF至10μF）或氧化铁磁珠

物理操作加速度计

ADXL001采用绝缘硅片（SOI） MEMS技术制造，具有机械耦合但电气隔离的差异检测单元。图2显示了差分传感器单元模块的简化图。每个传感器模块集成几个差分电容单元。每个单元由传感器框架上的固定板和活动板组成。移位传感器框架将改变差分电容。测量电容变化，并将其转换为输出电压。

图2. 传感器加速时的简化试图

SOI装置层的传感器经过微处理。电气隔离但机械耦合处理用于沟隔离。单晶硅弹簧悬挂在晶圆处理结构上，提供加速度的力阻力。

ADXL001 x轴加速度和振动检测装置，在向引脚8标记处振动时，产生正输出电压。

图3. ADXL001 XOUT 随着X轴方向加速度的增加，电压增加

与ADC接口

如需数字化加速度信息，加速度计输出电压范围必须位于ADC 输入电压范围内。AD7476输入电压范围为0 V至VDD （5 V）。 ADXL001输出电压范围为00.2 V至VS − 0.2 V （4.8 V）。没有额外的放大器或缓冲器，任何加速度计测得的加速度都将根据信息数字化。

由于AD7476的 VDD 电源用作ADC因此，基准电压源不需要使用外部基准电压源。此外，由于相同的电源，整个电路与电源成正比VDD 还用来驱动ADXL001。

频率响应

加速度计的频率响应是系统中最重要的特性，显示在图4 当信号频率超过2时。 kHz至3 kHz加速度计中的增益会增加。当波束为谐振频率时(22 kHz），装置的输出电压约为7 dB （&TImes;2.24)峰化。峰化对加速度计的输出电压影响很大。

图4. ADXL001频率响应

10 kHz考虑使用20 g加速度。假设0 g输出电压为2.5 V，且灵敏度为24.2 mV/g，预计输出电压为：

2.5 V （0.0242 &TImes; 20） = 2.984 V

然而，该电压将伴随约2 dB实际输出电压为：

2 dB = 20 log10 （VOUT /2.984 V）

VOUT = 3.757 V

输出电压与实际输出电压之间的差异有很大的误差：

误差 = 3.757 V – 2.984 V = 0.773 V

校正误差以确保精度非常重要，并专门设计了模拟双二阶滤波器来校正误差。实现滤波器的详细信息如下 “滤波器设计”讨论部分。

缩小加速度计范围

必须注意的是，随着加速度计频率响应的峰值，设备的可用加速度范围缩小。 kHz考虑使用70 g加速度。预计输出电压为：

2.5 V （24.2mV/g &TImes; 70 g） = 4.194 V

具有~7dB峰化效应：

7 dB = 20 log10 （VUT /4.194V）

VOUT = 9.389 V

由于ADXL001供电轨为5 V，输出将限制在大约 0.2 V和 4.8 V。因此，可测量的最大g值将取决于振动频率。

必须允许±0.5 V因为0 g失调电压会发生变化。振动频率低于2 kHz左右时，0 g最大输出电压范围限制了失调振动±1.8 V，也就是说，相当于大约±70 g。

振动频率约为2 kHz增加至22 kHz，在输出达到饱和之前允许的最大g值为7 dB （&TImes;2.步进逐渐下降至24±31 g。只要最大g值低于±31 g，在22 kHz滤波器在不饱和或信息丢失的情况下，频率响应平稳。

滤波器设计

模拟双四通道陷波滤波器用于补偿加速度计频率响应的增益峰化。质量因素（Q = 2.5)以及波束的谐振频率(22 kHz）均可在ADXL在001数据手册的规格表中找到。

通过创建22 kHz时峰值约为−7 dB对于陷波滤波器，加速度计的频率响应可以变得更加平坦，使振动测量更加简单。图5显示了滤波器、加速度计和整个信号链的频率响应。使用正弦波作为 EVAL-CN0303-SDPZ输入板，模拟加速度计输出，并获取数据。

图5. ADXL001 频率响应、滤波器频率响应和系统频率响应

陷波滤波器的设计参照无源和有源网络分析与频率合成中的示例电路进行修改。该书作者为Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13:补偿器的传递函数是上述传递函数的反函数。 Multisim™ 电路设计套件 用于模拟和验证陷波滤波器的传输函数。滤波器参数指定为Q = 2.5，中心频率 = 22 kHz，陷波深度 = 7 dB。

测试结果

进行两个验证系统性能的基本测试。首先，使用信号发生器驱动恒定范围的可变频率正弦波，输入滤波器。假设模拟滤波器的频率响应，测量输入输出电压，绘制20log10（VOUT/VIN） 图形。

其次，验证整个信号链的频率响应，确保设计性能。使用信号发生器模拟更准确地验证系统频率响应 ADXL001的输出。

为了测试目的，模拟5 g加速加速信号 kHz将其驱动到频率范围内的滤波器。ADXL001在敏感轴上承受±5 g正弦加速将输出相应的交流电压：

±5 g × 0.0242V/g = ±0.121 V

该电压于0 g即2.5 V。

信号发生器将电压驱动到滤波器。用示波器测量滤波器的峰值输出电压。电压将转换为g（g除了灵敏度)，并与初始输入加速度进行比较。 20log10 （VOUT/VIN） 图形，即系统的频率响应图。

调整信号发生器的输出电压对于加速度计频率响应中的峰化非常重要。对于10 kHz信号发生器的频率和输出电压必须增加约1.8 dB，为了准确加速度计5 g加速时的输出电压。

图5显示了移除加速度计频率响应中较大峰值后的结果。−3 dB 带宽约为23 kHz。由于加速度计频率响应的峰值与滤波器响应中陷波的微小对准误差，在滚动前可以在通带中立即发现少量纹波。

采用Wavetek81系列脉冲/函数发生器产生2 kHz与滤波器输入直接连接的正弦波。CN0303评估软件显示 AD7476 ADC数据转换和数据绘图屏幕截图。采样速率为1 MSPS。

图6. CN0303评估软件以1 MSPS数字化2采样速率 kHz屏幕截图为正弦波

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，都必须仔细考虑电路板上的电源和接地电路布局。PCB数字部分和模拟部分应尽可能隔离。PCB采用4层板堆叠，接地层大，电源层多边形。详细讨论布局和接地情况，请参见 MT-031指南；关于去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南。

EVAL-ADXL001-70Z板通过柔性扁平电缆连接 EVAL-CN0303-SDPZ电路板。这样用户就可以了。EVAL-CN0303-SDPZ 隔离任何可能导致电路板损坏的振动（由机械应力引起），允许用户将其与任何振动隔离ADXL振动源直接放置001。

ADXL001的电源采用0.1μF为了有效抑制噪音，减少纹波，电容器应尽可能靠近设备。

电源线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，减少电源线上的毛刺效应。时钟和其他快速开关的数字信号通过数字屏蔽电路板上的其他设备。

本电路笔记的完整设计支持包， 请参阅 www.analog.com/CN0303-DesignSupport。

图7. EVAL-CN0303-SDPZ照片

常见变化

双轴可用于获得更复杂的振动检测解决方案 （ ADXL2xx系列） 或三轴（ ADXL3xx系列） 替换加速度计 ADXL001。用户可以通过测量第二或第三个空间维度的加速度来编写自定义软件，实现更准确、更复杂的振动检测系统AD中国代理。