MEMS振动分析仪系统电路设计攻略

　　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。第五代iMEMs®工艺让 ADXL001(＄21.1440)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(＄1.2480)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(＄4.8600) 转换为数字。

　　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 （×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

　　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 （×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。

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　　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(＄76.1300)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

　　陷波滤波器中的示例电路，并对其进行了修改。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。

信号发生器将该电压驱动至滤