【導(dǎo)讀】能夠同時(shí)通過(guò)多個(gè)傳感器捕獲數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通常使用通道間隔離解決方案來(lái)消除接地環(huán)路。由于元件容差，板級(jí)分立信號(hào)鏈存在較大的通道間相位失配誤差，但ADI公司的精密信號(hào)鏈μModule?解決方案采用ADI的集成無(wú)源器件(iPassives?)技術(shù)，有效降低了相位失配誤差。
摘要
能夠同時(shí)通過(guò)多個(gè)傳感器捕獲數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通常使用通道間隔離解決方案來(lái)消除接地環(huán)路。由于元件容差，板級(jí)分立信號(hào)鏈存在較大的通道間相位失配誤差，但ADI公司的精密信號(hào)鏈μModule?解決方案采用ADI的集成無(wú)源器件(iPassives?)技術(shù)，有效降低了相位失配誤差。
簡(jiǎn)介
狀態(tài)監(jiān)控(CM)系統(tǒng)在制造、航空航天、醫(yī)療健康和基礎(chǔ)設(shè)施等各種行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此類(lèi)系統(tǒng)幫助檢測(cè)和分析各種情況，確保資產(chǎn)和機(jī)械的安全性、可靠性和性能。監(jiān)控的主要參數(shù)之一是振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)的幅度、頻率和相位包含大量有關(guān)資產(chǎn)狀況的信息。
本文闡釋了CM系統(tǒng)中準(zhǔn)確相位測(cè)量的重要性，以及其在涉及多個(gè)同步采樣通道的數(shù)據(jù)采集(DAQ)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。本文討論了多種傳統(tǒng)解決方案，同時(shí)介紹了一種創(chuàng)新方法，它能使相位匹配性能達(dá)到全新水平。
架構(gòu)
CM系統(tǒng)由多個(gè)傳感器或變換器組成。許多系統(tǒng)采用集中式系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)傳感器通過(guò)模擬電纜連接到DAQ解決方案的一個(gè)通道或輸入1。
圖1.集中式DAQ架構(gòu)1
傳感器類(lèi)型眾多，可測(cè)量振動(dòng)、聲音和電流等參數(shù)。傳感器可以在單個(gè)資產(chǎn)設(shè)備的多個(gè)點(diǎn)和軸上收集數(shù)據(jù)，甚至可以在多個(gè)獨(dú)立資產(chǎn)設(shè)備上同時(shí)收集數(shù)據(jù)2。來(lái)自這些渠道的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，可讓我們深入了解系統(tǒng)行為，例如預(yù)測(cè)機(jī)器故障，防患于未然，或在問(wèn)題惡化前提前安排維護(hù)工作。
用例
使用多通道同步采樣ADC
第一個(gè)用例是CM系統(tǒng)對(duì)來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多正交傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位分析，以監(jiān)測(cè)機(jī)器運(yùn)行和異常，例如失衡、中心偏移和底角松動(dòng)等。我們可以使用其中一個(gè)傳感器的相位作為參考來(lái)確定故障位置，而無(wú)需使用轉(zhuǎn)速計(jì)3。
圖2.應(yīng)用：使用相位分析確定故障的類(lèi)型和位置
在多軸檢測(cè)中，保留信號(hào)捕獲之間相對(duì)恒定的時(shí)間延遲對(duì)于時(shí)間和頻率信息的后處理至關(guān)重要。換句話(huà)說(shuō)，信號(hào)需要同步采樣且通道間相位匹配，以保留幅度和相位（時(shí)間）域信息。否則，傳感器之間的相位角測(cè)量會(huì)不準(zhǔn)確。CM系統(tǒng)供應(yīng)商的相位匹配規(guī)格在20 kHz時(shí)可以低至1°，其中甚至包括隔離電路的延遲和抖動(dòng)。
而多通道同步采樣Σ-Δ ADC（如ADI的AD7768-4或AD4134）可有助于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。參見(jiàn)表1。相比逐次逼近寄存器(SAR)型ADC，Σ-Δ ADC具有更高的DC至100 kHz分辨率和適合振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻域分析的濾波功能，因而在CM應(yīng)用中更受青睞。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱文章“狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)及其對(duì)信號(hào)鏈實(shí)施方案的影響”1。
表1.不同ADC的相位匹配性能和相位校準(zhǔn)分辨率
然而，使用離散時(shí)間Σ-Δ(DTSD) ADC（如AD7768-4）時(shí)，信號(hào)鏈可能出現(xiàn)相位失配誤差。DTSD ADC無(wú)法抑制其采樣頻率倍數(shù)處的混疊，因此系統(tǒng)容易受到帶外干擾的影響，目標(biāo)CM信號(hào)可能會(huì)受到破壞。為了改善這些頻率處的抑制效果，ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)采用模擬抗混疊濾波器設(shè)計(jì)（圖3，通常為三階或更高階），同時(shí)使帶內(nèi)幅度誤差保持最小。例如，設(shè)計(jì)用于在16 MHz（采樣頻率）和160 kHz -3dB（輸入帶寬）下實(shí)現(xiàn)-80 dB抑制的二階巴特沃茲濾波器，即使RC失配容差低至1%，在20 kHz時(shí)也可能存在±0.15°的相位失配4。
對(duì)于連續(xù)時(shí)間Σ-Δ(CTSD) ADC（如AD4134）來(lái)說(shuō)，這不是問(wèn)題，因?yàn)槠湓谕◣е獠皇芨蓴_，故而無(wú)需模擬抗混疊濾波器。然而，DTSD和CTSD關(guān)鍵區(qū)別在于，前者在功耗調(diào)節(jié)方面更靈活。此外，可能還有其他原因造成延遲，例如輸入放大器和隔離電路。
圖3.相位失配誤差源
為了解決此問(wèn)題，這兩種多通道IC都有相位校準(zhǔn)寄存器，可根據(jù)每個(gè)通道在不同頻率和溫度下的延遲（比1/Fsampling更準(zhǔn)確，在20 kHz時(shí)約為0.5°），調(diào)整每個(gè)通道的相位（表1）?？傮w而言，多通道同步采樣ADC雖然存在局限性，但在大多數(shù)情況下都能滿(mǎn)足需求。
接地環(huán)路和隔離需求
考慮同時(shí)監(jiān)測(cè)單臺(tái)機(jī)器的不同部分，甚至監(jiān)測(cè)不同的機(jī)器。在此系統(tǒng)中，我們需要仔細(xì)考慮接地環(huán)路。
圖4.加速度計(jì)在安裝中接地不當(dāng)5
儀器儀表使用接地和屏蔽來(lái)保護(hù)測(cè)量信號(hào)免受噪聲和雜散電磁場(chǎng)的影響。用于連接傳感器和DAQ解決方案的電纜通常是屏蔽雙絞線(xiàn)，其中屏蔽層從傳感器側(cè)接地，或者從DAQ側(cè)接地。
例如，如果(1)傳感器有一條接地路徑，(2)DAQ也有另外一條接地路徑，并且(3)電纜屏蔽層從兩側(cè)接地，則會(huì)形成接地環(huán)路（圖4）。接地環(huán)路讓電流可以沿著屏蔽層流動(dòng)。因此，屏蔽層上來(lái)自電源線(xiàn)和附近機(jī)械的感應(yīng)電流可能會(huì)將干擾耦合到信號(hào)線(xiàn)上。為了正確接地，理想情況下從系統(tǒng)中的任何點(diǎn)到地應(yīng)該只有一條低阻抗路徑。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮應(yīng)用、環(huán)境和傳感器的隔離類(lèi)型。
圖6.外殼隔離的加速度計(jì)和隔離底座6
降低成本，在DAQ處隔離
為了避免隔離傳感器的高成本，也可以考慮使用多個(gè)單通道ADC（如AD7768-1）和隔離電路（圖7）。要在傳感器側(cè)接地，傳感器外殼可用作接地點(diǎn)。這樣，DAQ解決方案可獨(dú)立配置、可擴(kuò)展且適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖7.正確接地：在儀器儀表處隔離，在加速度計(jì)處接地5
您可能已經(jīng)意識(shí)到了：這又要解決主要由模擬AAF引起的通道之間相位失配較大的問(wèn)題。
若無(wú)同步采樣和相位校準(zhǔn)寄存器，便只能通過(guò)時(shí)序進(jìn)行校準(zhǔn)，以減小相位失配誤差。FPGA可以控制每個(gè)通道開(kāi)始捕獲數(shù)據(jù)的時(shí)序，但需要高頻時(shí)鐘和相位/延遲鎖定環(huán)，這會(huì)大幅增加DAQ解決方案的復(fù)雜性。
μModule解決方案的廣闊天地
μModule提供封裝級(jí)的相位匹配解決方案。
μModule解決方案將完整的信號(hào)鏈集成到系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)中，因此僅需一份數(shù)據(jù)手冊(cè)就能說(shuō)明整個(gè)信號(hào)鏈的性能。該方案不僅消除了冷焊料和BOM（物料清單）可用性等重大PCB組裝問(wèn)題，而且通過(guò)ADI的集成無(wú)源器件(iPassives)技術(shù)提高了性能，使客戶(hù)能夠應(yīng)對(duì)相位匹配等復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)。
ADI公司的ADAQ7768-1是一款單通道μModule DAQ系統(tǒng)，適合CM應(yīng)用。其中包括一個(gè)36 V可編程增益儀表放大器(PGIA)、一個(gè)四階有源抗混疊濾波器(AAF)和一個(gè)具有與AD7768-1相同特性的24位DTSD ADC。
圖8.ADAQ7768-1功能框圖
ADAQ7768-1利用iPassives網(wǎng)絡(luò)提供四階模擬AAF，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的器件間相位匹配性能，堪比同步采樣ADC及其相位校準(zhǔn)分辨率，如表2和圖9所示。圖10說(shuō)明了iPassives網(wǎng)絡(luò)如何從制造開(kāi)始實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配，其中電阻差異通過(guò)顏色漸變來(lái)表示。iPassives電阻容差可以低于0.1%，而電阻溫度系數(shù)(TCR)匹配誤差可以小于1 ppm/℃，這意味著設(shè)計(jì)好的RC濾波器帶寬可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。憑借iPassives網(wǎng)絡(luò)，μModule解決方案通過(guò)BOM和組件方法解決了相位失配問(wèn)題，使性能突破了傳統(tǒng)分立信號(hào)鏈的限制，達(dá)到全新水平。
表2.不同ADC（包括精密信號(hào)鏈μModule解決方案）的相位匹配性能和相位校準(zhǔn)分辨率
*ADAQ776x-1相位失配最大值 = 6Σ（典型值 =±1Σ）
*相位匹配 = 相位失配 * 2
圖9.在20 kHz時(shí)和整個(gè)溫度范圍內(nèi)的ADAQ7768-1器件間相位角失配，歸一化為25℃時(shí)的平均值
圖10.相較于分立電阻，ADI的iPassives電阻具有更嚴(yán)格的容差和匹配性能7
同類(lèi)產(chǎn)品和區(qū)別
除了ADAQ7768-1外，還有其他大類(lèi)產(chǎn)品使用相同的集成ADC，即ADAQ7767-1和ADAQ7769-1（圖11）。
圖11.與IEPE傳感器一起使用的各種ADAQ776x-1大類(lèi)產(chǎn)品
ADAQ7768-1
ADAQ7768-1內(nèi)置一個(gè)全差分PGIA。由于具有高阻抗和低輸入偏置電流，它可直接連接到各種傳感器。不同于傳統(tǒng)的電壓反饋放大器，集成PGIA在所有增益設(shè)置下保持幾乎相同的帶寬，無(wú)論增益如何設(shè)置都能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的器件間相位匹配。
ADAQ7767-1
ADAQ7767-1不提供集成輸入放大器，從而降低成本，讓客戶(hù)可以采用定制的輸入信號(hào)調(diào)理方案。該器件有三個(gè)輸入范圍，單端輸入的最大范圍為±24 V，支持直流耦合IEPE傳感器架構(gòu)和更簡(jiǎn)單的電源解決方案。
ADAQ7769-1
ADAQ7769-1在ADAQ7767-1基礎(chǔ)上增加了單端可編程增益低噪聲放大器。單端輸入范圍仍為±24 V，支持直流耦合IEPE傳感器架構(gòu)并提供更完整的解決方案。
實(shí)現(xiàn)同步
為了充分發(fā)揮這些產(chǎn)品的相位匹配性能，器件必須遵循適當(dāng)?shù)耐椒椒āｋm然存在同步各種產(chǎn)品的通用方法，但某些器件可以采用專(zhuān)屬同步方式，這通常會(huì)為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)益處。
一般來(lái)說(shuō)，許多SD ADC提供了SYNC或SYNC_IN
引腳，允許控制器同步彼此獨(dú)立但通常相似的ADC。在時(shí)間敏感的ADC中，這通常要求SYNC脈沖與共享控制器時(shí)鐘(MCLK)同步。否則，抖動(dòng)和傳輸延遲可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)器件的同步觸發(fā)信號(hào)會(huì)比其他器件延后一個(gè)MCLK周期。圖12解釋了如何使用來(lái)自控制器的SYNC_IN
脈沖同步各ADAQ776x-1，理想情況下此脈沖與系統(tǒng)MCLK保持一致。
圖12.使用與MCLK保持一致的SYNC_IN來(lái)同步通道間隔離系統(tǒng)中的ADAQ776x-1器件
由于CM應(yīng)用中的同步和相位匹配要求，ADAQ776x-1和AD7768-1大類(lèi)產(chǎn)品包含SYNC_OUT
引腳，當(dāng)由GPIO = START
輸入脈沖或通過(guò)SPI寫(xiě)操作觸發(fā)時(shí)，該引腳會(huì)輸出SYNC_OUT
脈沖。在這兩種情況下，SYNC_OUT
脈沖隨后可以饋入SYNC_IN
引腳，觸發(fā)有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開(kāi)始。
為了減少通道間隔離系統(tǒng)中隔離數(shù)字走線(xiàn)的數(shù)量，建議使用第二種方法，從同一SPI輸入線(xiàn)(SDI)對(duì)所有器件執(zhí)行SPI寫(xiě)操作，從而啟動(dòng)SYNC_OUT
脈沖，由此便可實(shí)現(xiàn)同步，如圖13所示。
這里假設(shè)所有通道有一個(gè)共同MCLK，理想情況下它與SPI時(shí)鐘(SCLK)同步，以避免延遲觸發(fā)。這種方案無(wú)需來(lái)自控制器的隔離SYNC_IN
或START
線(xiàn)。為進(jìn)一步減少數(shù)字隔離線(xiàn)路，ADAQ776x-1和AD7768-1大類(lèi)產(chǎn)品可將數(shù)據(jù)就緒信號(hào)（DRDY或RDY）與輸出數(shù)據(jù)(DOUT)結(jié)合在同一線(xiàn)路中。
圖13.使用SPI寫(xiě)操作同步通道間隔離系統(tǒng)中的ADAQ776x-1器件
圖14為采用ADAQ7768-1的通道間隔離高性能DAQ解決方案，其中使用ADP1031作為隔離電源解決方案，為所有供電軌供電，并使用ADuM141D提供額外的隔離數(shù)字走線(xiàn)。
圖14.采用ADAQ7768-1的通道間隔離高性能DAQ解決方案
結(jié)論
由ADAQ776x-1的隔離單通道組成的CM系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可提供堪比同步采樣SD ADC的相位匹配性能。μModule解決方案利用ADI iPassives技術(shù)提供的精密電阻來(lái)解決RC抗混疊濾波器引入的相位匹配問(wèn)題。
致謝
感謝John Healy和Naiqian Ren對(duì)本文的技術(shù)貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
1 Naiqian Ren，“狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)及其對(duì)信號(hào)鏈實(shí)施方案的影響”，ADI公司，2021年10月。
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3 Tony DeMatteo，“相位分析：輕松進(jìn)行振動(dòng)分析”，Ludeca，2010年10月。
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5 “振動(dòng)傳感器接線(xiàn)和布線(xiàn)”，Wilcoxon Sensing Technologies。
6 “振動(dòng)基礎(chǔ)原理”，PCB Piezotronics。
7 Mark Murphy和Pat McGuinness，“使用微型模塊SIP中的集成無(wú)源器件”，《模擬對(duì)話(huà)》，第52卷，第10期，2018年10月。
8 Pete Sopcik和Dara O’Sullivan，“傳感器性能如何支持狀態(tài)監(jiān)控解決方案”，《模擬對(duì)話(huà)》，第53卷第6期，2019年6月。
（來(lái)源：ADI公司，作者：Malcolm Leeland Kwok，產(chǎn)品應(yīng)用工程師））
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