引言

数据采集系统 (DAQ) 是测试装置中的重要组成部分，因为这些系统将物理世界的测量数据转移到可分析数据的计算机上。技术的变化和进步很快就会带来测试的改进，因为标准测试程序可能不充分或不实用。近年来，随着越来越多的汽车制造商推出电动汽车和混合动力汽车，汽车行业的格局迅速改变。本文将探讨与汽车测试相关的噪声、振动和不平顺性 (NVH) 数据采集。NVH 测量对于确保车辆在道路上平稳行驶和乘客的舒适体验至关重要。本应用简报介绍了设计 NVH 数据采集系统时要考虑的关键挑战。

噪音、振动和不平顺性 (NVH)

汽车测试中的噪声、振动和不平顺性 (NVH) 分析是数据采集系统 (DAQ) 的一个用例。噪声和振动是定量测量项，测量听到和感受到的振荡，而不平顺性是定性测量项，描述因物理运动和环境噪声给乘客造成的不适感。NVH 分析用于识别噪声和振动的源头，以减少这些噪声和振动的影响。过多的噪声和振动会更快地让驾驶员感到疲劳，并为车辆的机械结构增加不必要的应力，从而带来安全风险。

电动和混合动力车辆改变了 NVH 测试的要求，因为电动发动机比内燃机 (ICE) 更安静。车辆内部和外部都有许多 NVH 源头。源头包括发动机、制动器、外部风发出的声音。ICE 会淹没一些环境噪声，因此电动车需要考虑更多明显的噪声源。此外，电动发动机的声学曲线与 ICE 不同。例如，电动车发动机的噪声和振动往往产生比 ICE 频率更高的噪声。用于减少 ICE 噪声的阻尼和吸收结构不是为了降低电机的噪声而设计的。此外，不同的结构材料有不同的噪声生成和吸收特性，这些特性会影响噪声在整个车辆中的传播和放大方式。

NVH 测量

用于 NVH 测量的传感器各种各样，例如麦克风、加速计和测振仪。NVH 测量的频率范围是大约 10Hz 到大约 100kHz。例如，道路振动的测量单位为赫兹，而内部嘎吱声的测量单位为数十千赫兹。输出电压从数百毫伏至数伏特不等，具体取决于传感器。

许多 NVH 测试需要多个通道，例如放置在车辆周围不同位置的麦克风或三个用于测量 3 轴振动的加速计。为了有效收集数据，不同的测量通道需要彼此同步。有时，在通道间进行隔离以防止通道间的干扰。

在设计和原型制作过程的各个阶段都要进行 NVH 测试，因为在该过程早期收集的数据可用于调优子系统仿真软件，并且以后可为设计决策提供信息。设计工程师使用收集的数据来构建和改进噪声仿真模型，从而分析不同噪声源之间的相互作用。最终，设计人员希望降低现存的噪声和振动量，而且及早识别噪声源可以让设计人员更轻松地降低整体影响。通过吸收、减源、屏障和隔离技术可以减少不必要的噪声和振动。

噪声和振动信号链示例

图 1 是用于测量噪声和振动的模拟信号链示例。

图 1 包含 PGA855、THS4551 和 ADS127L21 的信号链示例

所需的系统输入电压范围和带宽取决于传感器。为了适应多种传感器，系统需要灵活的输入电压范围和宽带宽。例如，麦克风的动态范围可以是 20dB 至 135dB（0.2mPa 至 112Pa），频率范围为 10Hz 至 20kHz，灵敏度为 50mV/Pa。这意味着，带宽必须能够测量 20kHz 的信号，且输入范围为 5.6V (112pA × 50mV/Pa)。应变仪的测量范围可以是 ±100mV/µε，频率范围为 1Hz 至 100kHz，灵敏度为 50mV/µε。所需的带宽更大，所需的输入电压范围为 10V。

由于 PGA855 宽带很宽，输入偏置电流 (1nA) 和输入参考噪声（增益 16V/V 时为 7.8nV/rtHz）低而且增益设置可配置（1/8 到 16V/V），因此它是输入放大器的理想选择。PGA855 在所有增益下拥有平坦的 10MHz 通带，可保持输入信号在测量路径中失真较小。低输入参考噪声很关键，因为噪声会通过信号链传播，使得输入放大器可限制整个系统的性能。可配置的增益选项允许 PGA855 将输入信号扩大到 ADC 满量程范围，因而各种传感器可使用一条信号链路径。

ADS127L21 ADC 具有 24 位分辨率和 200kSPS 下的高动态范围 (111.5dB)，所以非常适合此应用。24 位分辨率使得 ADC 能够测量非常敏感的传感器发出的 µV 信号。高采样率足以满足奈奎斯特采样率标准（至少是最大采样频率的两倍），可用于对信号进行过采样以增加信号链的动态范围。此外，ADS127L21 还具有可编程的 IIR 和 FIR 滤波器，允许设计人员根据带宽要求调优信号链。ADC 的输入端使用一个带宽为 100kHz 的抗混叠滤波器，以保证传感器发出的无用高频信号不干扰目标信号。

要查看更详细的设计信息和测试数据，请参阅适用于 100kHz 带宽数据采集信号链的抗混叠滤波器设计。

结语

在设计和制造安全舒适的车辆时，NVH 测试和分析是一个关键组成部分。随着汽车市场的变化和发展，汽车测试也必须变化和发展。NVH 是声音和振动数据采集的特定应用，而非汽车行业所独有。航空测试和消费电器设计也使用声音和振动分析。随着汽车电气化的不断推进，市场对 NVH 测量的需求不断增长。TI 提供的器件和信号链设计是 NVH 测量的理想选择。有关用于设计 DAQ 系统的 TI 资源的更多信息，请点击此处。