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作者：Malcolm Leeland Kwok，ADI公司產(chǎn)品應用工程師 摘要 能夠同時(shí)通過(guò)多個(gè)傳感器捕獲數據的狀態(tài)監控系統，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，板級分立信號鏈存在較大的通道間相位失配誤差，但ADI公司的精密信號鏈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)監控(CM)系統在制造、航空航天、醫療健康和基礎設施等各種行業(yè)中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。此類(lèi)系統幫助檢測和分析各種情況，確保資產(chǎn)和機械的安全性、可靠性和性能。監控的主要參數之一是振動(dòng)，振動(dòng)信號的幅度、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系統中準確相位測量的重要性，以及其在涉及多個(gè)同步采樣通道的數據采集(DAQ)應用中面臨的挑戰。本文討論了多種傳統解決方案，同時(shí)介紹了一種創(chuàng )新方法，它能使相位匹配性能達到全新水平。 架構 CM系統由多個(gè)傳感器或變換器組成。許多系統采用集中式系統架構，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1 傳感器類(lèi)型眾多，可測量振動(dòng)、聲音和電流等參數。傳感器可以在單個(gè)資產(chǎn)設備的多個(gè)點(diǎn)和軸上收集數據，甚至可以在多個(gè)獨立資產(chǎn)設備上同時(shí)收集數據2。來(lái)自這些渠道的數據經(jīng)過(guò)處理，可讓我們深入了解系統行為，例如預測機器故障，防患于未然，或在問(wèn)題惡化前提前安排維護工作。 用例 使用多通道同步采樣ADC 第一個(gè)用例是CM系統對來(lái)自?xún)蓚�(gè)或更多正交傳感器的數據進(jìn)行相位分析，以監測機器運行和異常，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)需使用轉速計3。
圖2.應用：使用相位分析確定故障的類(lèi)型和位置 在多軸檢測中，保留信號捕獲之間相對恒定的時(shí)間延遲對于時(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量會(huì )不準確。CM系統供應商的相位匹配規格在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)現此目標。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)信號時(shí)域與頻域分析的濾波功能，因而在CM應用中更受青睞。欲了解更多信息，請參閱文章“狀態(tài)監控系統設計選項及其對信號鏈實(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分辨率
然而，使用離散時(shí)間Σ-Δ(DTSD) ADC（如AD7768-4）時(shí)，信號鏈可能出現相位失配誤差。DTSD ADC無(wú)法抑制其采樣頻率倍數處的混疊，因此系統容易受到帶外干擾的影響，目標CM信號可能會(huì )受到破壞。為了改善這些頻率處的抑制效果，ADC驅動(dòng)器級采用模擬抗混疊濾波器設計（圖3，通常為三階或更高階），同時(shí)使帶內幅度誤差保持最小。例如，設計用于在16 MHz（采樣頻率）和160 kHz -3dB（輸入帶寬）下實(shí)現-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。 對于連續時(shí)間Σ-Δ(CTSD) ADC（如AD4134）來(lái)說(shuō)，這不是問(wèn)題，因為其在通帶之外不受干擾，故而無(wú)需模擬抗混疊濾波器。然而，DTSD和CTSD關(guān)鍵區別在于，前者在功耗調節方面更靈活。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都有相位校準寄存器，可根據每個(gè)通道在不同頻率和溫度下的延遲（比1/Fsampling更準確，在20 kHz時(shí)約為0.5°），調整每個(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)監測單臺機器的不同部分，甚至監測不同的機器。在此系統中，我們需要仔細考慮接地環(huán)路。
圖4.加速度計在安裝中接地不當5 儀器儀表使用接地和屏蔽來(lái)保護測量信號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接地，或者從DAQ側接地。 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(zhù)屏蔽層流動(dòng)。因此，屏蔽層上來(lái)自電源線(xiàn)和附近機械的感應電流可能會(huì )將干擾耦合到信號線(xiàn)上。為了正確接地，理想情況下從系統中的任何點(diǎn)到地應該只有一條低阻抗路徑。接地系統設計需要考慮應用、環(huán)境和傳感器的隔離類(lèi)型。
圖5.正確接地：在儀器儀表處接地，在加速度計處隔離5 加速度計可以是(a)外殼接地、(b)外殼隔離或(c)接地隔離6。 外殼接地的加速度計連接到導電表面時(shí)，會(huì )有一條接地路徑。單通道系統僅要求隔離DAQ。但對于多通道系統，多個(gè)傳感器的接地會(huì )形成接地環(huán)路。 為了避免這個(gè)問(wèn)題，推薦采用隔離傳感器和接地多通道DAQ解決方案（圖5）。許多加速度計具有基本的外殼隔離，檢測元件通常通過(guò)有涂層的焊盤(pán)與傳感器外殼隔離。 其他加速度計則采用各種技術(shù)實(shí)現與安裝表面的接地隔離。 粘合劑安裝可實(shí)現不同程度的隔離，具體取決于粘合劑的厚度。 整體式外殼隔離和隔離安裝通常需要較高/額外的成本，但在危險環(huán)境中，例如存在雷擊風(fēng)險的風(fēng)力渦輪機，這種隔離可能是必要的。 總而言之，在隔離傳感器的同時(shí)讓DAQ接地可以解決接地環(huán)路問(wèn)題，但成本可能較高。
圖6.外殼隔離的加速度計和隔離底座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）。要在傳感器側接地，傳感器外殼可用作接地點(diǎn)。這樣，DAQ解決方案可獨立配置、可擴展且適用于更廣泛的應用場(chǎng)景。
圖7.正確接地：在儀器儀表處隔離，在加速度計處接地5 您可能已經(jīng)意識到了：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寄存器，便只能通過(guò)時(shí)序進(jìn)行校準，以減小相位失配誤差。FPGA可以控制每個(gè)通道開(kāi)始捕獲數據的時(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解決方案的復雜性。 μModule解決方案的廣闊天地 μModule提供封裝級的相位匹配解決方案。 μModule解決方案將完整的信號鏈集成到系統級封裝(SIP)中，因此僅需一份數據手冊就能說(shuō)明整個(gè)信號鏈的性能。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)能夠應對相位匹配等復雜的系統級挑戰。 ADI公司的ADAQ7768-1是一款單通道μModule DAQ系統，適合CM應用。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，能夠實(shí)現精準的器件間相位匹配性能，堪比同步采樣ADC及其相位校準分辨率，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)現精準匹配，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(TCR)匹配誤差可以小于1 ppm/℃，這意味著(zhù)設計好的RC濾波器帶寬可在整個(gè)溫度范圍內保持穩定。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，使性能突破了傳統分立信號鏈的限制，達到全新水平。 表2.不同ADC（包括精密信號鏈μModule解決方案）的相位匹配性能和相位校準分辨率
*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電阻具有更嚴格的容差和匹配性能7 同類(lèi)產(chǎn)品和區別 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。不同于傳統的電壓反饋放大器，集成PGIA在所有增益設置下保持幾乎相同的帶寬，無(wú)論增益如何設置都能實(shí)現嚴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調理方案。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傳感器架構和更簡(jiǎn)單的電源解決方案。 ADAQ7769-1 ADAQ7769-1在A(yíng)DAQ7767-1基礎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傳感器架構并提供更完整的解決方案。 實(shí)現同步 為了充分發(fā)揮這些產(chǎn)品的相位匹配性能，器件必須遵循適當的同步方法。雖然存在同步各種產(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)系統帶來(lái)益處。 一般來(lái)說(shuō)，許多SD ADC提供了SYNC或ˉ("SYNC_IN" )引腳，允許控制器同步彼此獨立但通常相似的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 )導致一個(gè)器件的同步觸發(fā)信號會(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ˉ("SYNC_IN" )脈沖同步各ADAQ776x-1，理想情況下此脈沖與系統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中的ADAQ776x-1器件 由于CM應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ˉ("SYNC_OUT" )引腳，當由GPIO = ˉ("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ˉ("SYNC_OUT" )脈沖。在這兩種情況下，ˉ("SYNC_OUT" )脈沖隨后可以饋入ˉ("SYNC_IN" )引腳，觸發(fā)有效數據轉換開(kāi)始。 為了減少通道間隔離系統中隔離數字走線(xiàn)的數量，建議使用第二種方法，從同一SPI輸入線(xiàn)(SDI)對所有器件執行SPI寫(xiě)操作，從而啟動(dòng)ˉ("SYNC_OUT" )脈沖，由此便可實(shí)現同步，如圖13所示。 這里假設所有通道有一個(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ˉ("SYNC_IN" )或ˉ("START" )線(xiàn)。為進(jìn)一步減少數字隔離線(xiàn)路，ADAQ776x-1和AD7768-1大類(lèi)產(chǎn)品可將數據就緒信號（DRDY或RDY）與輸出數據(DOUT)結合在同一線(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 結論 由ADAQ776x-1的隔離單通道組成的CM系統是一種經(jīng)濟高效的解決方案，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對本文的技術(shù)貢獻。 參考文獻 1 Naiqian Ren，“狀態(tài)監控系統設計選項及其對信號鏈實(shí)施方案的影響”，ADI公司，2021年10月。 2 Gabriele Ribichini，“高壓電抗器振動(dòng)測試”，DEWESoft®，2023年2月。 3 Tony DeMatteo，“相位分析：輕松進(jìn)行振動(dòng)分析”，Ludeca，2010年10月。 4 “連續時(shí)間Σ-Δ (CTSD)精密ADC迷你教程”，ADI公司，2022年12月。 5 “振動(dòng)傳感器接線(xiàn)和布線(xiàn)”，Wilcoxon Sensing Technologies。 6 “振動(dòng)基礎原理”，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)監控解決方案”，《模擬對話(huà)》，第53卷第6期，2019年6月。 關(guān)于作者 Malcolm Kwok是信號鏈μModule®解決方案的產(chǎn)品應用工程師。自加入ADI公司以來(lái)，他一直參與信號鏈μModule解決方案的概念設計和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，此類(lèi)產(chǎn)品的主要用于精密數據采集和狀態(tài)監控領(lǐng)域。他畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。 |
