MEMS振動分析儀系統(tǒng)電路設計攻略 —電路圖天天讀（159）

　　圖1所示電路是一款高線性度、低噪聲、寬帶寬振動檢測解決方案。該方案適用于要求具有寬動態(tài)范圍（±70 g、±250 g 或±500 g）以及平坦頻率響應（從直流到22 kHz）的應用。該電路提供適合進行軸承分析、引擎監(jiān)控以及振動檢測的低功耗解決方案。第五代iMEMs?工藝讓 ADXL001加速度計擁有從±70 g擴展至±500 g的擴展動態(tài)范圍，且?guī)挒?2 kHz。AD8606是一款精密、低噪聲、雙通道運算放大器，用于創(chuàng)建模擬雙二階濾波器，可使加速度計的輸出頻率響應較為平和。ADXL001輸出電壓經低功耗、單通道12位SAR ADC AD7476 轉換為數字。

　　圖1. 單軸振動分析系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

　　電路描述

　　加速度計輸出特性

　　ADXL001經測試的額定電源電壓為3.3 V和5 V。雖然該器件可采用3 V至6 V范圍內的任意電源電壓工作，但采用5 V電源可獲得最優(yōu)整體性能。輸出電壓靈敏度與電源電壓成比例。采用3.3 V電源時，標稱輸出靈敏度為16 mV/g。采用5 V電源時，靈敏度為24.2 mV/g。0 g輸出電平亦為比例電平，標稱值為 VDD/2。只要1 MHz內部時鐘頻率上不存在噪聲，ADXL001就只需要一個0.1μF去耦電容。如果需要，可以包含較大的大容量電容（1μF至10μF）或氧化鐵磁珠

　　加速度計物理操作

　　ADXL001采用絕緣硅片（SOI） MEMS技術制造，具有機械耦合但電氣隔離的差分檢測單元。圖2顯示其中一個差分傳感器單元模塊的簡化圖。每個傳感器模塊均集成數個差分電容單元。每一單元都以器件層上的固定板以及傳感器框架上的活動板組成。傳感器框架移位將改變差分電容。片內電路測量電容變化，并將其轉換為輸出電壓。

　　圖2. 傳感器加速時的簡化試圖

　　SOI器件層的傳感器經過微加工處理。溝道隔離用于對差分檢測元件進行電氣隔離但機械耦合處理。單晶硅彈簧懸掛于晶圓處理結構之上，提供加速度的力量阻力。ADXL001 是一款x軸加速度和振動檢測器件，向引腳8標記處振動時，產生趨正輸出電壓，如圖3所示。

　　圖3. ADXL001 XOUT 電壓隨正X軸方向的加速度增加而增加

　　與ADC接口

　　如需數字化加速度信息，加速度計輸出電壓范圍必須位于ADC 輸入電壓范圍內。AD7476輸入電壓范圍為0 V至VDD （5 V）。 ADXL001輸出電壓范圍為0.2 V至VS ? 0.2 V （4.8 V）。任何加速度計測得的加速度將根據該信息進行數字化，無需額外的放大器或緩沖器。由于AD7476的 VDD 電源用作ADC基準電壓源，因此無需使用外部基準電壓源。此外，整個電路與電源成比例，因為同一個VDD 還用來驅動ADXL001。

　　頻率響應

　　加速度計的頻率響應是系統(tǒng)中最重要的特性，顯示在圖4 中。當信號頻率超過2 kHz至3 kHz左右時，加速度計中的增益會增加。波束為諧振頻率時（22 kHz），器件的輸出電壓大致存在7 dB （×2.24）峰化。該峰化對加速度計的輸出電壓具有極大的影響。

　　圖4. ADXL001頻率響應

　　由于ADXL001供電軌為5 V，輸出將限制為大約+0.2 V和+4.8 V。因此，可測量的最大g值將取決于振動頻率。必須允許±0.5 V的額外裕量，因為0 g失調電壓會有所變化。振動頻率低于2 kHz左右時，0 g失調振動將最大可用輸出電壓范圍限制為±1.8 V，即相當于大約±70 g。隨著振動頻率從大約2 kHz增加至22 kHz，輸出達到飽和之前允許的最大g值以7 dB （×2.24）步進逐步下降至±31 g。只要最大g值低于±31 g，在22 kHz范圍內濾波器便具有平坦的頻率響應，而無飽和或信息丟失。

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