带频率响应补偿的MEMS振动分析仪电路图

　　电路功能与优势

　　图1所示电路是一款高线性度、低噪声、宽带宽振动检测解决方案。该方案适用于要求具有宽动态范围（±70 g、±250 g 或±500 g）以及平坦频率响应（从直流到22 kHz）的应用。

　　该电路提供适合进行轴承分析、引擎监控以及振动检测的低功耗解决方案。

　　享有ADI专利的第五代iMEMs®工艺让 ADXL001加速度计拥有从±70 g扩展至±500 g的扩展动态范围，且带宽为22 kHz。

　　AD8606是一款精密、低噪声、双通道运算放大器，用于创建模拟双二阶滤波器，可使加速度计的输出频率响应较为平和。

　　ADXL001输出电压经低功耗、单通道12位SAR ADC AD7476 转换为数字字。

　　图1. 单轴振动分析系统（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

　　电路描述

　　加速度计输出特性

　　ADXL001经测试的额定电源电压为3.3 V和5 V。虽然该器件可采用3 V至6 V范围内的任意电源电压工作，但采用5 V电源可获得最优整体性能。

　　输出电压灵敏度与电源电压成比例。采用3.3 V电源时，标称输出灵敏度为16 mV/g。采用5 V电源时，灵敏度为24.2 mV/g。

　　0 g输出电平亦为比例电平，标称值为 VDD/2。

　　只要1 MHz内部时钟频率上不存在噪声，ADXL001就只需要一个0.1μF去耦电容。如果需要，可以包含较大的大容量电容（1μF至10μF）或氧化铁磁珠

　　加速度计物理操作

　　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分检测单元。图2显示其中一个差分传感器单元模块的简化图。每个传感器模块均集成数个差分电容单元。每一单元都以器件层上的固定板以及传感器框架上的活动板组成。传感器框架移位将改变差分电容。片内电路测量电容变化，并将其转换为输出电压。

　　图2. 传感器加速时的简化试图

　　SOI器件层的传感器经过微加工处理。沟道隔离用于对差分检测元件进行电气隔离但机械耦合处理。单晶硅弹簧悬挂于晶圆处理结构之上，提供加速度的力量阻力。

　　ADXL001 是一款x轴加速度和振动检测器件，向引脚8标记处振动时，产生趋正输出电压，如图3所示。

　　图3. ADXL001 XOUT 电压随正X轴方向的加速度增加而增加

　　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0.2 V至VS − 0.2 V （4.8 V）。任何加速度计测得的加速度将根据该信息进行数字化，无需额外的放大器或缓冲器。

　　由于AD7476的 VDD 电源用作ADC基准电压源，因此无需使用外部基准电压源。此外，整个电路与电源成比例，因为同一个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 中。当信号频率超过2 kHz至3 kHz左右时，加速度计中的增益会增加。波束为谐振频率时（22 kHz），器件的输出电压大致存在7 dB （&TImes;2.24）峰化。该峰化对加速度计的输出电压具有极大的影响。

　　图4. ADXL001频率响应

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

　　2.5 V + （0.0242 &TImes; 20） = 2.984 V

　　但是，该电压会伴随约2 dB的峰化而增加，使实际输出电压为：

　　2 dB = 20 log10 （VOUT /2.984 V）

　　VOUT = 3.757 V

　　预计输出电压和实际输出电压之差会产生巨大误差：

　　误差 = 3.757 V – 2.984 V = 0.773 V

　　校正此误差以保证精度很重要，并且专门设计了模拟双二阶滤波器对该误差进行校正。实现该滤波器的详情在下文 "滤波器设计"部分予以讨论。

　　加速度计范围缩小

　　必须注意，随着加速度计的频率响应出现峰化，器件的可用加速度范围随之缩小。20 kHz时，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，输出将限制为大约+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的额外裕量，因为0 g失调电压会有所变化。振动频率低于2 kHz左右时，0 g失调振动将最大可用输出电压范围限制为±1.8 V，即相当于大约±70 g。

　　随着振动频率从大约2 kHz增加至22 kHz，输出达到饱和之前允许的最大g值以7 dB （&TImes;2.24）步进逐步下降至±31 g。只要最大g值低于±31 g，在22 kHz范围内滤波器便具有平坦的频率响应，而无饱和或信息丢失。