带频率响应补偿的MEMS振动分析仪电路图

　　滤波器设计

　　为了补偿加速度计频率响应的增益峰化，使用了一个模拟双四通道陷波滤波器。品质因数（Q = 2.5）以及波束的谐振频率（22 kHz）均可在ADXL001数据手册的规格表中找到。

　　通过创建22 kHz时峰值约为−7 dB的陷波滤波器，加速度计的频率响应可变得较为平坦，使得更高频率下的振动测量更为简单。图5显示滤波器、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板的输入，仿真加速度计输出，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考《无源和有源网络分析与频率合成》中的示例电路，并对其进行了修改。该书作者为Aram Budak，出版于1991年10月（ISBN-13：该补偿器的传递函数为前文得出的传递函数之反函数。 Multisim™ 电路设计套件 用于仿真并验证陷波滤波器的传递函数。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

　　执行两个基本测试，验证系统性能。首先，使用信号发生器驱动恒定幅度的可变频率正弦波，输入滤波器。假定模拟滤波器的频率响应如图5所示，测量输入和输出电压，绘出20log10（VOUT/VIN） 图形。

　　其次，验证整个信号链的频率响应，确保设计的性能。为了更加精确地验证系统频率响应，使用信号发生器仿真 ADXL001的输出。

　　出于测试目的，仿真5 g加速度信号，并在50 kHz频率范围内将其驱动至滤波器。若ADXL001在敏感轴上承受±5 g正弦加速度，则将会输出相应的交流电压：

　　±5 g × 0.0242V/g = ±0.121 V

　　该电压于0 g输出条件下置中，即2.5 V。

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

　　针对加速度计频率响应中的峰化，调节信号发生器的输出电压非常重要。对于10 kHz频率，信号发生器的输出电压必须增加约1.8 dB，以便精确表示加速度计在5 g加速度情况下的输出电压。

　　图5显示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，在造成滚降前，可在通带中即时发现少量纹波。

　　采用Wavetek的81系列脉冲/函数发生器产生2 kHz正弦波，并直接与滤波器输入相连。图6为CN0303评估软件显示 AD7476 ADC数据转换并对数据绘图的屏幕截图。采样速率为1 MSPS。

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

　　PCB布局考虑

　　在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。有关布局和接地的详细论述，请参见 MT-031指南；有关去耦技术的信息，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。这样可让用户将EVAL-CN0303-SDPZ 与可能导致电路板损坏的任何振动相隔离（由机械应力造成），同时允许用户将ADXL001直接放置在振动源。

　　ADXL001的电源采用0.1μF电容去耦，以便有效抑制噪声，减少纹波。电容应尽可能靠近该器件放置。

　　电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。时钟和其它快速开关的数字信号通过数字地将其与电路板上的其它器件屏蔽开。

　　有关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

　　如需获得更为复杂的振动检测解决方案，可使用双轴 （ ADXL2xx系列） 或三轴（ ADXL3xx系列） 加速度计代替 ADXL001。通过在第二或第三个空间维度测量加速度，用户可编写自定义软件，实现更为精确复杂的振动检测系统。