此参考设计解释了同步四通道宽带高分辨率接口的理论、设计和测试。主要目标应用是振动传感应用，但该设计也可以应用于任何需要宽带的应用，例如功率因数测量中的三相电压和电流监测。

• 同步四通道宽带集成电子压电式 (IEPE) 传感器接口
• 24 位、20kHz 带宽转换
• 数据速率：124kSPS（菊花链）、400kSPS（并行 SPI）
• ±10V 交流输入，320kΩ 输入阻抗
• 板载四路励磁电流 (3.5mA)
• 板载非隔离式 5V 至 24V 升压
• 断线和短路检测

• 状态监控模块
• 特殊功能模块
• 数据采集 (DAQ)

此设计采用四通道高采样率（高达 400kSPS）、宽带、24 位分辨率、高动态范围设计。同时对四个通道采样，这在对多轴振动传感器进行采样时或在电源监测等其他应用中是必需的。组装选项可支持菊花链和并行 SPI 连接。

此参考设计适用于高端多通道宽带高分辨率、高采样率接口。四个通道演示了可扩展到 6 个或更多通道的概念。对于大多数应用，标准 IEPE 传感器要求激励电流 > 2mA、激励电压 > 22V 且带宽 > 15kHz。该设计支持两种 SPI 通信模式：

1. 菊花链模式，使所有 ADC 器件能够连接到单个 SPI 通道，尽可能地减少控制线路和隔离信号（如果应用）
2. 并行模式，使 ADC 能够以其最大数据速率运行，但每个 ADC 需要单独的数据输出线路

低功耗特性使该设计可用于电池供电的监控系统。断线和短路检测旨在确保传感器接口安全、可靠地运行。

根据目标规格，输入信号可高达 23V。使用交流耦合时，最大信号电平为 ±10V，要实现 5V 信号链，耦合电容器应后跟一个电阻分压器，比例因子为 10:1。这会将信号降至 ±1.0V。电阻分压器以 ADC 生成的 1/2Vs（即 2.5V）为基准执行电平转换，转换后输出信号变为 2.5V ± 1.0V。同相缓冲器级的增益为 2，因此缓冲器的输出为 ±2.0V。缓冲器反相引脚也以 1/2Vs（即 2.5V）为基准，因此缓冲器的输出为 2.5V ± 2.0V。

全差分放大器将单端信号转换为差分信号，并增加增益 2。差分放大器的输出共模也设置为 2.5V。因此，放大器的最大差分输出为 ±4.0V，而单端输出为 2.5V ± 2.0V。

4.096V 的基准电压用于尽可能地提高 DR。根据之前给定的信号电平，可以选择具有所需输入和输出范围且噪声影响极小的适当放大器器件。

如上一节所述，ADS127L11 将使用 4V 基准电压，以更大限度地扩大动态范围。还选择 16MHz 振荡器时钟作为 ADC 的时钟基准以及 SPI 时钟。ADC 可以通过高达 25MHz 的时钟运行。

为了使信号链发挥理想性能，必须正确配置 ADS127L11 ADC。以下列表显示了所需的设置：

• 数据宽度（分辨率）= 24 位
• 速度模式 = 高速
• 滤波器类型 = 宽带宽
• INP_RNG= VREF
• REF_RNG= 高基准范围
• VCM=启用
• AINP_BUF、AINN_BUF=启用
• CLK_SEL=外部

ADC 可用于菊花链或并行 SDO 模式。Equation1 显示了菊花链模式的最大数据速率。

对于 16MHz SPI 时钟、4 个器件和每帧 32b，最大数据速率为 125kSPS。要将输出数据速率设置为 125kSPS，请设置 OSR=64。

对于并行 SDO 模式和使用宽带滤波器，数据速率可以设置为最大 400kSPS。对于 16MHz 时钟，只能选择 OSR = 64，这样输出数据速率为 250kSPS。要达到 400kSPS，请将板载 16MHz 振荡器替换为 25MHz 振荡器。

有关菊花链和并行连接的更多详细信息，请参阅 ADS127L11 400kSPS、宽带宽、24 位 Δ-Σ ADC 数据表和同步采样系统中的 ADS127L11 应用简报。

多个 ADS127L11 器件的同步对于该设计至关重要。保持完全同步需要两个因素。用于所有 ADC 的基准时钟需相同，而且所有 ADC 的 START 信号必须相同并与 ADC 基准时钟同步。

对于基准时钟，为验证不同时钟输入之间的最小偏差，需通过 LMK1C1106 超低抖动 6 通道缓冲器对振荡器进行缓冲。四个通道路由到四个 ADC，一个输出发送回控制器，而第六个输出用于同步 START 信号，如本节所述。在低抖动缓冲的顶部，应特别小心地将四个时钟信号路由到 PCB 上具有相同布线长度和延迟的四个 ADC。

对于 START 信号，使用小型逻辑同步器电路将 START 信号与 ADC 基准时钟对齐，以确保所有 ADC 同时接收到基准时钟的 START 信号，并避免一个时钟周期的不确定性。

有关同步的更多详细信息，请参阅同步采样系统中的 ADS127L11 应用简报。

THS4551 级用作单端至差分转换器（增益为 2）以驱动 ADC，除此之外，该器件还用作低通滤波器以将输入带宽限制为 20kHz。这有助于通过抑制不需要的频带上的噪声信号来提高 SNR。

有关差分级的详细信息，请参阅适用于 PLC 模拟输入的 IEPE 振动传感器接口参考设计 设计指南。

IEPE 传感器需要 2mA 至 20mA 的激励电流才能运行，具体取决于连接电缆长度和负载电容。在大多数 IEPE 应用中，静态 2–4mA 足以运行传感器。电流源的精度并不重要，但顺从范围、电流噪声和负载调节对于接口性能至关重要。

对于此设计，使用低电压并联基准和运算放大器生成了 3.5mA 静态电流源。低电压基准可提供低余量和更高的顺从范围。使用四路运算放大器 OPA4187 封装实现了具有成本效益的设计。

有关电流源设计的更多详细信息，请参阅适用于工业应用的高侧电流源 模拟设计期刊文章。

由于此应用由 5V 电源供电运行，因此需要使用升压级来为电流源生成高电压。使用 TLV61046A 紧凑型增压级，并在它后面使用 TPS7A49 LDO，可为电流源生成干净的 23.8V 电压。电流源具有大约 1.5V 的余量，可使顺从范围高达 22V。

传感器通过一个电容器连接到信号链，此电容器后面连接一个串联电阻器，形成一个截止频率低于 1Hz 的高通滤波器。

该电阻器形成一个增益为 10 比 1 的分压器，将 ±10V 的输入信号降低至 ±1V。

该电阻器以中标度 (2.5V) 而非接地为基准来转换信号。

同相增益级在全差分放大器级的输入端缓冲信号并将其放大至 ±2V + 2.5V。

双运算放大器 OPA2320 器件用于增益级和共模缓冲器。该级需要一个电源输出摆幅达到 0.5V 的运算放大器。不受交叉失真影响的线性放大器对于实现良好的 THD 性能至关重要。

ADS127L11 是一款 24 位 Δ-Σ 模数转换器 (ADC)，使用宽带滤波器时数据速率高达 400kSPS，使用低延迟滤波器时数据速率高达 1067kSPS。该器件具有出色的交流性能、直流精度和低功耗（高速模式下为 18.6mW）。

该器件集成了输入和基准缓冲器，用于降低信号负载效应。低漂移调制器可实现出色的直流精度和低带内噪声，从而提供出色的交流性能。电源可扩展架构提供两种速度模式来优化数据速率、分辨率和功耗。

数字滤波器可配置为宽带或低延迟运行，做到了在一个器件中优化直流信号的宽带交流性能或数据吞吐量。

串行接口具有菊花链功能，可通过隔离栅减少 SPI I/O。输入和输出数据以及寄存器设置通过循环冗余校验 (CRC) 功能进行验证，以增强运行可靠性。

THS4551 全差分放大器可在单端源与差分输出之间提供一个简易的接口，从而满足各类高精度模数转换器 (ADC) 的需求。此器件兼具优异的直流精度、低噪声以及稳健的容性负载驱动能力，非常适合具有高精度要求的数据采集系统；同时组合使用放大器与 ADC 时，可获得出色的信噪比 (SNR) 与无杂散动态范围 (SFDR)。

THS4551 具有所需的负电源轨输入，可用于将直流耦合、中心接地的源信号连接到单电源差分输入 ADC。该器件具有超低直流误差和漂移，能够满足新兴的 16 至 20 位逐次逼近寄存器 (SAR) 输入要求。在 0.7V 至 3.0V 以上的 ADC 共模输入要求下，宽范围输出共模控制支持 ADC 在 1.8V 至 5V 电源下运行。

图 2-6 THS4551 方框图