状态监测系统设计选择及其对信号链实现的影响

本文对状态监测系统的传感器接口数据采集（DAQ）信号链设计考虑进行了简要讨论。我们将 研究 某些 设计 选择， 如 系统 架构、 传感器 类型 和 分析 方法 会 如何 影响 DAQ 信号 链 设计， 并 通过 详细 介绍 两 个 DAQ 信号 链 设计 示例， 将 这些 理论 付诸 实践。

介绍

状态监测的核心价值是长期节约成本。通过预测性维护降低维护成本，并通过预防性维护消除计划外生产停机时间，从而节省成本。这种价值的实现依赖于状态监测系统在开发的早期阶段准确检测和识别故障条件的能力。

与开发后期的灾难性故障不同，开发早期阶段的灾难性故障通常显而易见且易于检测，而开发早期阶段的故障检测可能只会导致资产正常运行行为的轻微偏差。这种偏差也可能是暂时的。正确检测和分类早期故障特征通常需要使用不同检测方式的高性能传感器作为整体监控解决方案的一部分。这些传感器需要与具有匹配性能的DAQ信号链正确连接，以充分利用其检测能力。 然后可以使用专门的算法组合和处理数据，以确定被监控资产的整体状况。

与所有系统设计一样，在设计状态监测系统时需要做出许多选择。每一种选择都有不同的权衡，并可能极大地改变DAQ信号链设计。

系统级注意事项

系统架构

状态监测（CM）系统要考虑的第一个级别是系统架构。根据传感器和DAQ信号链之间的相对位置，有几种常见的CM系统架构选项，每种选项都有一定的优势。

数据采集集中式

典型的 DAQ 集中 式 系统 将 多个 数据 采集 通道 捆绑 在 一个 集中 位置， 通常 以 盒 / 架 仪器 的形式 出现。传感器位于远程位置，并使用模拟电缆连接到DAQ系统。

图1.DAQ 集中式 系统 架构。

DAQ 集中式 架构 被 许多 现有 的 测量 解决 方案 广泛 使用 。大多数台式振动监测仪器以及工业模拟输入模块都采用这种架构。它还非常适合设计具有内置 CM 功能的资产，例如，在电机和泵中集成 CM 功能时。

此体系结构的一些主要优点包括：

布线成本低。低成本的同轴和双绞线电缆通常用于在传感器和DAQ之间长距离传输信号。

强大的界面。有许多标准接口协议，例如IEPE和4 mA至20 mA电流环路，旨在确保在嘈杂环境中提供可靠的传感器接口。

灵活的传感器支持。根据测量要求，可以设计相同的DAQ系统来支持多种传感器类型。

支持恶劣的操作环境。传感器和DAQ信号链的物理分离允许某些传感器在电子元件通常不支持的条件下工作，例如具有极高的/低工作温度。

更高效的数据采集 信号链实现。信号链设计可以共享更多常用模块，以提高效率并降低成本。

采用DAQ集中式架构的CM系统的典型数据采集信号链设计要求是：

性能。大多数 DAQ 集中 式 系统 设计 为 支持 多种 传感器 类型。其中一些具有双重功能，也可以用作通用DAQ仪器。这些需求提高了DAQ信号链的性能要求，并要求宽动态范围、可调带宽、交流线性度和直流精度等指标。

输入保护。由于DAQ集中式系统的输入端子经常暴露在外部访问中，因此它们容易受到接线错误，信号过量程和ESD等因素的损坏。通常需要额外的保护电路来帮助保护DAQ输入。

混叠拒绝。采用DAQ集中式架构的系统供应商并不总是控制传感器和与系统一起使用的输入信号。因此，这些系统需要能够抵御目标测量频带之外的信号和噪声混叠。其中许多系统要求DAQ完全抑制所有带外信号。

功率和面积。与其他系统架构相比，DAQ集中式架构对DAQ信号链的功耗和解决方案尺寸的限制更少。然而， 一些 较 新 的 系统 正在 推动 更高 的 通道 密度， 其中 DAQ 信号 链 解决 方案 尺寸 和 热 密度 在 设计 考虑 方面 扮演 了 更 重要 的 角色。

边缘节点

与DAQ集中式架构相比，边缘节点架构处于解决方案集成水平的另一端。在 基于 边缘 节点 的 系统 上， 传感器、DAQ 信号 链 和 信号 处理 单元 都 位于 非常 近 的位置。信号在边缘被感测、采集和处理。处理后的数据通过有线或无线通信链路发送到主机。

图2.边缘节点系统架构。

许多电池供电的智能状态监测系统采用边缘节点架构，具有以下优点：

易于安装。特别是对于无线系统，安装边缘节点系统在传感节点之间布线可能很长的电缆需要更少的努力。

优化设计。由于整个系统更加明确和独立，因此更容易设计优化的信号链。

采用边缘节点架构的CM系统的典型DAQ信号链设计要求是：

性能。准确 了解 需要 将 哪些 传感器 连接 到 DAQ ， 可以 定制 DAQ 信号 链 设计 并 提高 效率。然而，有限的功率预算，特别是在电池供电的系统中，可能会限制传感器和信号链的性能。

输入保护。由于系统是独立的，模拟DAQ信号链不会暴露在外界。这放宽了模拟DAQ信号链输入保护的要求。

混叠拒绝。同样，传感器和DAQ系统之间的短距离，加上独立的物理结构，使得边缘节点系统不太可能拾取带外干扰。DAQ 系统 可能 仍 需要 一定 程度 的 滤波 来 保护 其 免受 来自 节点 内部 的 干扰， 例如 来自 传感器 时钟 伪 器、 电源 和 通信 链路 的 干扰， 但 所需 的 抑制 水平 低于 DAQ 集中 式 系统。

功率和面积。低功耗和紧凑的解决方案尺寸是边缘节点系统的常见要求。低功耗对于电池供电系统至关重要。系统的尺寸会影响系统外壳的材料成本、安装的难易程度，对于振动传感系统，还会影响传感器的机械特性。

DAQ 分布式 系统

DAQ 分布式 架构 位于 DAQ 集中 式 和 边缘 节点 架构 之间。在这种架构中， DAQ 信号链位于传感器侧，数据处理能力有限或没有。采集的传感器数据通过RS-485或10BASE-T1L以太网等数字有线链路传送到集中式主机进行后处理。

图3.DAQ 分布式 系统 架构。

DAQ 分布式 架构 的 优势 包括 更 标准 化 的 通信 接口 和 更好 与 更大 工厂 自动 化 系统 的 集成。

DAQ 分布式 系统 的 信号 链 设计 考虑 因素 与 边缘 节点 系统 类似。

传感器

传感模态

选择用于状态监测系统的传感器取决于几个因素，第一个因素是要支持的传感方式。就像医生会监测患者的多个生命体征以更好地诊断他/她的健康状况一样，监测资产的多个参数可以提高故障检测的准确性。例如，振动监测已被证明是在开发的早期阶段检测机械故障的可靠方法。温度是CM中另一个重要的补充参数，因为许多故障类型会产生热量。其他常用传感模式 CM 包括声音、电能质量、应变、扭矩和位移。给定CM系统所需的传感模式的确切组合还取决于被监控的资产类型以及要检测的故障类型。

传感器类型

对于相同的传感模式，还可以有多种传感器类型可供选择。不同类型的传感器可能具有不同的性能和接口要求，并且没有一种适合所有CM系统。

以振动监测为例。常见的振动传感器类型包括MEMS、压电（压电）和压阻（动态应变片）。MEMS加速度计功耗低、重量轻、尺寸小，非常适合采用边缘节点架构的系统。压电加速度计可以支持非常宽的带宽并具有高动态范围。带有IEPE接口的压电传感器与许多振动监测仪器兼容，可以一起使用，以构建具有DAQ集中式架构的CM系统。

这两种传感器的接口要求也大不相同。一些MEMS加速度计具有数字输出，可以直接连接到微处理器。大多数高性能MEMS加速度计具有模拟输出，需要数据采集信号链。MEMS传感器通常可以由与DAQ信号链共享的单端3.3 V至5 V电源供电。相比之下，带有IEPE接口的压电加速度计通常由~4 mA恒流源供电，通过2芯电缆在24 V电源上产生，传感器输出为顶部的交流信号 直流偏置电压（通常为8 V至10 V），通常需要对其进行缓冲、衰减和电平转换，然后才能由ADC采集。

通道数

另一个与传感器相关的考虑因素是要使用的传感器数量，这直接影响所需的DAQ通道数量。CM系统可以在多个位置部署相同的传感器类型，以提供更完整的资产状况。例如，一对振动传感器可以正交放置，以提供有关资产振动幅度的更准确信息。3轴振动传感器可以安装在任何角度位置，并且仍然对所有方向的振动具有完全的灵敏度。某些故障诊断方法还依赖于多个信号之间的相位差来对故障位置进行三角测量。这 要求 CM 系统 同时 从 多个 相同 类型 的 传感器 采集 信号， 这 需要 对 DAQ 信号 链 进行 同步 采样、 相位 匹配 和 通道 采样 同步 要求。

分析方法

分析方法的选择在DAQ信号链设计决策中也起着关键作用。

频域分析

频域分析是用于监测移动机械的常用CM方法。旋转机器基频倍数的谐波可以通过振动、声音和电能质量等传感方式来检测。确定这些谐波的振幅和频率是分析机器运行条件的第一个基本步骤。

频域信息可以通过使用快速傅里叶变换（FFT）转换时域样本来获得。频率 分析 中 要 考虑 的 关键 DAQ 信号 链 设计 参数 包括：

感兴趣的带宽。感兴趣的测量范围取决于被监控资产的属性和故障覆盖的类型。监测齿轮箱轴承所需的振动监测带宽可能明显高于监测风塔结构摆动所需的带宽。整个监控信号链应具有足够的带宽，以覆盖目标的最高频率分量。

幅度平坦度。频率分析通常需要在目标频率上具有平坦的幅度响应，也就是说，增益应在整个频率范围内保持恒定。频率的幅度响应变化可能来自传感器响应和DAQ信号链内滤波的响应。通过选择在目标频带上具有平坦响应的传感器并将滤波器设计为具有平坦通带响应，可以实现良好的平坦度。

带外信号抑制。目标频带外的信号对CM系统毫无用处，并且会消耗宝贵的处理能力，甚至污染目标信号。DAQ信号链最好去除目标频带外的所有信号。

噪声。就像信号平坦度一样，测量系统希望在目标频带上具有均匀平坦的噪声频谱密度（NSD）。本底噪声应低于目标的最小信号幅度。FFT工艺还有一个额外的好处，即由于处理增益，可以降低频域输出中的整体本底噪声。一个简单的解释是，处理的样本越多，箱子尺寸越窄，每个箱内的功率越低。这允许测量系统人为地增加其测量动态范围（仅在频域中），以检查原本低于本底噪声的信号。处理增益的限制在于它需要大内存和更长的处理时间。测量信号链的无杂散动态范围（SDFR）还可以设置要测量的最小有效信号幅度。

动态线性度。低谐波失真对于频域谐波分析非常重要。由测量信号链的非线性引起的额外谐波可以掩盖由故障条件引起的实际谐波信号的偏差。

时域分析

频域分析仅限于监测周期性信号，例如旋转机械固有产生的信号。对于以非周期方式运行的资产（例如，线性和往复运动）以及基于特定时间运行的资产（例如液压/气缸），需要进行时域分析。即使对于监测旋转机械，某些分析方法，如冲击脉冲法，也依赖于时域数据分析。

时域信息可以通过简单地分析采样数据波形来获得。时间分析时要考虑的关键DAQ信号链设计参数包括：

感兴趣的带宽。测量信号链的带宽应足够宽，以免在最高目标频率下使信号波形失真。通常不是瞬态事件发生的频率，而是瞬态事件引起的信号振荡频率决定了测量带宽要求。在某些情况下，例如使用冲击脉冲方法进行监测，瞬态事件引起的信号振荡由传感器的谐振频率设定。

采样率。与频率分析（其中有效信号采样率原则上不需要高于要监控的最高频率分量的两倍）相反，时域分析的采样率要求可能需要远高于目标的最高输入信号频率。这是由于信号的瞬态性质 被监控。瞬态信号的过采样使得分析信号波形的轮廓变得容易，包括其峰值和谷值幅度以及变化率。最大误差峰值比可以从 1–cos （π/OS） 得出，其中 OS 是过采样比，等于输入信号频率范围内的有效采样率。10×瞬态信号振荡频率的过采样会使峰值检测精度限制在±5%以下。

噪声。由于每个样本中包含的噪声会直接影响时域波形的幅度检测精度，因此总均方根噪声值在时域分析中至关重要。噪声频谱密度的平坦度并不重要，只要有效噪声带宽上的总积分噪声满足所需的测量精度即可。噪声改善DSP技术，如FFT过程增益，在时域分析中不再可用。

阶跃响应。测量信号链需要具有良好的阶跃响应，以便正确复制瞬态信号输入的曲线。这会影响DAQ信号链中的滤波器设计和选择。

DAQ 信号链 设计 示例

在 本节 中， 我们 将 使用 两 个 CM 系统 DAQ 信号 链 示例 来 展示 如何 将 系统 要求 转换 到 信号 链 设计 中。

例 1

系统要求

边缘节点架构中的 3 V 至 3.6 V 电池供电系统

单轴振动感应，量程为 ±50 g

支持高达 10 kHz（平坦）带宽的频率分析

动态范围 >10 kHz 带宽内为 80 dB

支持时域分析，包括冲击脉冲法，采样率为128 kSPS

在满量程范围内等于或小于动态非线性度的0.1%。

能够在嘈杂的环境中工作，并能够抑制电磁干扰（EMI）。

传感器选择

选择ADXL1002 MEMS加速度计进行振动检测。它符合关键性能标准，具有非常适合边缘节点系统的低功耗和小外形尺寸。

ADXL1002具有11 kHz的平坦响应带宽，非常适合在目标带宽为10 kHz的频率分析。传感器的谐振频率为21 kHz。可以对该频率的信号进行过采样，以支持时域分析方法，例如冲击脉冲法。

图5.ADXL1002加速度计的频率响应分频。

该传感器的噪声密度为 25 μg/√Hz，最高可达 10 kHz。如果10 kHz带宽上的总均方根噪声为25 × √（10e3)= 2.5 mg rms 输入范围为 ±50 g，传感器的动态范围可通过下式计算

ADXL1002的输出为缓冲电压信号，幅度与感测加速度和传感器电源电压成正比。输出信号偏置在等于传感器电源电压一半的直流电压下。采用5 V电源供电时，ADXL1002的灵敏度为40 mV/g。采用 3.3 V 电源时，±50 g 输入范围内的最大传感器输出信号摆幅为 ±50 × 40e–3/5 × 3.3 = ±1.32 V，中心电压为

 

图6.ADXL1002的满量程输出信号。

数据采集要求

与ADXL1002传感器接口的DAQ信号链需要满足以下要求：

支持传感器的整个输出电压范围

具有超过 11 kHz 的平坦频率响应

能够对谐振频率进行至少5次过采样×

让传感器主导整体交流和直流性能

为目标频带外的信号提供足够的混叠抑制

低功耗

解决方案尺寸小

建议的解决方案如图7所示。它由单通道精密Σ-Δ型ADC AD7768-1和ADC驱动放大器ADA4805-1组成。

图7.电池供电边缘节点传感器解决方案的DAQ信号链示例，该解决方案支持使用ADXL1002加速度计进行单轴振动检测。

模数转换器选择

AD7768-1是一款多功能精密ADC，具有多种工作模式，可在功耗、带宽和噪声之间进行权衡。可编程数字滤波器对于混叠抑制至关重要，可以使用不同的滤波器类型来支持频域和时域分析。

在此设计中，我们选择使用以下配置操作设备：

在 REF+ 输入上启用集成基准电压缓冲器

低功耗模式

低纹波宽带滤波器，具有 32 kSPS ODR（滤波器选项 A）

具有 128 kSPS ODR 的 Sinc5 滤波器（滤波器选项 B）

集成的基准电压缓冲器可实现非常紧凑的设计，并且无需额外的缓冲放大器。该设计利用了ADXL1002输出与其电源电压之间的比例关系，以及AD7768-1的基准电压缓冲器支持轨到轨操作的事实，方法是在传感器和ADC之间共享3.3 V电池电源，并使用与ADC基准电压相同的电压。这不仅消除了为DAQ信号链生成专用基准电压的需要，而且还消除了由于电源电压变化（例如电池放电随时间变化）而导致的任何测量信号幅度变化。

低功耗模式操作使ADC的功耗降至最低，从而最大限度地延长电池寿命。在低功耗模式下，AD7768-1可以支持砖墙式低纹波宽带滤波器，在ODR为32 kSPS（滤波器选项A）时具有13 kHz平坦（–0.1 dB）带宽，非常适合覆盖ADXL1002的11 kHz平坦带宽，以执行频率分析。砖墙滤波器具有近乎理想的滤波器轮廓，非常适合频率分析，但高阶滤波器使其不太适合执行时域分析。因此，可以使用具有较大阶跃响应的sinc5滤波器来满足时域分析的需求。低功耗模式下的AD7768-1内置sinc5滤波器，支持高达128 kSPS的输出数据速率和26 kHz时的–3 dB频率（滤波器选项B），足以对传感器的21 kHz谐振频率进行过采样5×以上。数字滤波器类型和输出数据速率均通过SPI接口进行寄存器编程，允许信号带宽 根据应用需求动态调整。

图8.如何将不同的数字滤波器响应用于不同的测量要求。

与将未滤波的过采样数据发送到外部数字主机进行后处理相比，AD7768-1上的集成数字滤波器大大提高了数字处理的能效。AD7768-1在低功耗模式下的功耗（AVDD1、AVDD2和IOVDD采用3.3 V电源，REF+引脚使能时，估计功耗为10.2 mW，带宽为32 kSPS ODR的宽带低纹波滤波器为12.6 mW。

在此配置中，AD7768-1的噪声对于滤波器选项A为11.5 μV rms，对于滤波器选项B为49.5 μV rms。本设计中ADC的输入信号是±1.32 V的伪差分信号。具有此输入范围和滤波器选项A的ADC的有效动态范围为20 × log（1.32/√（2）/11.5e–6） = 98 dB，使用滤波器选项 B 时为 85.5 dB。两者都足以让传感器主导整体噪声性能。

AFE 设计

虽然ADXL1002具有缓冲输出，但在ADC的采样频率（2.048 MHz）下，其输出阻抗不够低，无法在采样期间完全建立ADC的输入。建议使用宽带宽驱动器放大器将传感器与ADC桥接。选择ADA4805-1是基于其宽带宽、低输出阻抗、低噪声、小尺寸、 和低功耗。

由于ADC和驱动放大器组合的噪声性能低于传感器的噪声性能，因此无需增益传感器的输出信号。ADA4805-1具有轨到轨输出，但没有轨到轨输入。因此，驱动器配置为增益为1的反相缓冲器。驱动器的输出裕量经过验证，可满足满量程信号摆幅。

AD7768-1的数字滤波器在ADC采样频率附近的频带上也没有抑制。利用ADA4805-1构建一个有源抗混叠滤波器，以帮助数字滤波器在整个频率范围内实现足够的整体带外信号抑制。该设计是一款二阶低通滤波器，具有多反馈架构和近巴特沃兹响应，转折频率为–3 dB 在 32 Hz 时和 –73 dB 的抑制（在 2 MHz 时）。

图9.示例1信号链的整体滤波器响应。

驱动器电路中使用的电阻值经过精心选择，以平衡功耗、电路噪声、电容尺寸和ADA4805-1输入偏置电流引起的直流失调误差。

组合信号链的整体性能如表1所示。

传感器 特性	数据采集 特性
满量程 测量愤怒	±50 g（0.33 V 至 2.97 V）	最大输入范围	0.02 V 至 3.28 V
最大平坦带宽 （3 分贝）	11 千赫	最大平坦带宽 （–3 dB）	13.8千赫
共鸣 频率	21千赫	Sinc5 过滤器外径最大	128 kSPS （–3 dB 带宽 = 26 kHz）
动态范围 超过 13.8 kHz 带宽	80分贝*	动态范围超过 13.8 kHz 带宽	98分贝
线性	全范围为 0.1%	线性	在整个范围内优于 0.001%
功耗 采用 3.3 V 电源供电	3.3毫瓦	功耗	14毫瓦
包装尺寸	25 毫米2	IC封装总尺寸	28 毫米2
*根据输出噪声曲线估算

例 2

系统要求

DAQ 集中式架构中的 DAQ 模 块， 具有 通道 间 隔离 的 DAQ 模 块

伪差分输入，最大输入范围为 ±12 V

支持IEPE接口

交流和直流偏置输入选项

高达 ±60 V 的输入过压保护

1 MΩ 输入阻抗

支持高达 100 kHz（平坦）带宽的频率分析

动态范围 >105 kHz 带宽内为 100 dB

无混叠（能够抑制目标频带外的所有信号 –105 dB）

支持时域分析，包括冲击脉冲法

总谐波失真为 ≤–115 dB，满量程输入为 1 kHz

高直流精度

支持可编程滤波器带宽和输出数据速率

建议的解决方案如图10所示。它使用与示例1相同的24位精密Σ-Δ型ADC （AD7768-1）。模拟前端包括一个ADG5421F输入保护开关、一个用于提供IEPE传感器电源电流的LT3092恒流源、一个精密JFET缓冲放大器ADA4610-1、一个用于ADC驱动的全差分放大器ADA4945-1，以及一个抗混叠滤波器结构。精密基准电压源ADR444用于在精密运算放大器ADA4528-1作为基准电压缓冲器的帮助下向ADC提供基准电压源。

图 10.支持直接IEPE传感器接口和通道间隔离的DAQ集中式解决方案的DAQ信号链示例。

传感器电源

IEPE接口为2线接口，传感器输出信号（电压）和传感器电源（电流）共用同一根线。LT3092用于在30 V电源上构建一个低噪声2.5 mA电流源，为传感器供电。电流值可通过电阻值进行编程，以支持更长的电缆长度/更高的电缆电容。

图 11.只需一根 2 芯电缆即可与 IEPE 传感器连接。

一些IEPE传感器不是外壳隔离的，这意味着它们的OUT-端子可能连接到本地接地。如果传感器接口DAQ也不是隔离的，那么DAQ也需要接地参考。在这种设计中，DAQ通道是隔离的。这有助于消除接地和电源电平限制，允许DAQ设计为双极性电源，以支持更对称的 双极性输入信号。

输入保护

采用ADG5421F保护开关为电路提供输入过压保护。当输入电压超过电源范围时，内部开关断开，以保护DAQ信号链的其余部分。ADG5421F可承受高达±60 V的输入电压，其低而稳定的R电压上对于最小化信号失真至关重要。

在此设计中，该开关还用于为信号链输入配置提供可编程选项。根据开关配置，信号链输入可配置为交流或直流耦合，电流源可独立切换进出。

附加一个TVS与一个小（10 Ω）串联电阻器一起，以帮助改善输入节点的ESD保护。

模数转换器选择

通道隔离要求推动了对单通道DAQ解决方案的需求。

这两个示例展示了AD7768-1的多功能性。在全功率模式下工作时，该ADC能够使用砖墙数字滤波器（ODR = 256 kSPS）实现110 kHz的平坦带宽，同时仍能实现108 dB的动态范围（基准电压为4.096 V）。它还支持用于时域波形捕获的sinc5滤波器，最大输出数据速率为1.024 MSPS。

AD7768-1还具有业界领先的动态线性度和直流性能。这包括典型THD为–120 dB，1 kHz接近满量程正弦输入信号，失调误差漂移为300 nV/°C，增益误差漂移为0.25 ppm。

对于不需要通道隔离的多通道DAQ系统，可以使用同一ADC的四通道（AD7768-4）或八通道（AD7768）版本。

AFE 设计

输入信号需要缓冲以达到所需的阻抗。缓冲放大器需要具有低输入偏置电流、低噪声、良好的动态线性度、高直流精度和足够的带宽。ADA4610-1 JFET运算放大器是根据这些要求选择的。它配置为单位增益缓冲器，需要±15 V电源。

然后需要对信号进行衰减和电平转换，以适应ADC的输入范围。希望将伪差分信号转换为全差分信号。这种转换将测量动态范围提高了6 dB，并大大降低了二次谐波失真。然后需要对信号进行滤波以抑制混叠，并使用高带宽和低输出阻抗ADC驱动器放大器进行缓冲，以确保ADC输入正确建立。幸运的是，所有这些功能都可以通过使用单个ADA4945-1全差分ADC驱动器放大器的电路设计来实现，最小 失真和增加噪声，同时保持出色的直流精度。

图 12.模拟前端的信号调理。

在本电路中，信号衰减0.33，采用4.096 V ADC基准电压源时，允许±4.096/0.33 = ±12.41 V满量程输入摆幅。信号以±4.096 V幅度转换为全差分，电平转换为2.5 V（中间电源）共模电压，使FDA输出和ADC输入都满意。

如示例1所述，AD7768-1的数字滤波器在ADC采样频率附近的频带上也没有抑制。在全功率模式下，ADC的有效采样频率为16.384 MHz。ADA4945-1构建了一个有源抗混叠滤波器，以帮助数字滤波器在整个频率范围内实现足够的整体带外信号抑制。该设计是一个三阶低通滤波器，具有多反馈架构和接近巴特沃兹响应。另一个低通极点由缓冲放大器ADA4610-1前面的RC电路增加，以帮助进一步提高FS处的混叠抑制。整个信号链频率响应在440 kHz时具有–3 dB转折，以最大程度地减小带内响应的幅度和相位失真。AAF 在 100 kHz 时引起的幅度下降小于 10 mdB。16.3 MHz时的幅度响应约为–108 dB。这与AD7768-1的砖墙数字滤波器相结合，产生一个无混叠信号链，能够 抑制所有带外信号至少 105 dB。

图 13.示例2信号链的整体滤波器响应。

隔离和电源管理

这里不详细讨论数字和电源隔离及电源管理解决方案。ADP1031等解决方案可在隔离范围内提供SPI接口以及±15 V和5 V电源电压。ADuM140D高速数字隔离器可用于跨隔离提供MCLK和SYNC_IN信号，以实现跨通道采样同步。

数据采集特性
最大输入范围	±12.4 V 伪差分
最大平坦带宽 （–3 dB）	110 千赫
Sinc5 过滤器外径最大	1024 kSPS （–3 dB 带宽 = 209 kHz）
动态范围超过 110 kHz 带宽	优于 105 dB
接近满量程输入时 1 kHz 时的 THD	优于 –105 dB
增益误差漂移*	10 页/°C
失调误差漂移*	5 μV/°C
使用sinc5滤波器的功耗	110毫瓦
砖墙过滤器的功耗	130毫瓦
*不包括电阻匹配误差

例 3

CN0540描述了IEPE传感器接口DAQ信号链设计的另一种方法。

CN0540设计支持0 V至24 V的单极性输入范围。它适用于与IEPE传感器接口的非通道隔离DAQ系统，无需外壳隔离，在这种情况下，IEPE传感器和DAQ信号链共享一个公共接地。此设计支持直流耦合到 IEPE 传感器。尽管压电传感器不支持低至直流的响应，但直流耦合使该信号链具有提取低频振动的优势，而不会从低带宽交流耦合电路中提取启动延迟。

相比之下，示例2所示的信号链设计支持双极性输入信号。它 需要 在 交流 耦合 模式 下 工作 才能 与 IEPE 传感器 连接， 但 这种 ±12.4 V 输入 范围 和 高 输入 阻抗 使其 更 适合 多 用途 DAQ 系统。

总结

总之，本文详细介绍了系统架构、传感器类型和分析方法的选择如何极大地影响状态监测系统中的DAQ信号链设计。本文讨论的设计考虑因素以及示例参考设计有望帮助系统设计人员为其状态监测系统做出最佳设计选择。

审核编辑：郭婷