引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAQ) 是測試裝置中的重要組成部分，因?yàn)檫@些系統(tǒng)將物理世界的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到可分析數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)上。技術(shù)的變化和進(jìn)步很快就會(huì)帶來測試的改進(jìn)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)測試程序可能不充分或不實(shí)用。近年來，隨著越來越多的汽車制造商推出電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，汽車行業(yè)的格局迅速改變。本文將探討與汽車測試相關(guān)的噪聲、振動(dòng)和不平順性 (NVH) 數(shù)據(jù)采集。NVH 測量對(duì)于確保車輛在道路上平穩(wěn)行駛和乘客的舒適體驗(yàn)至關(guān)重要。本應(yīng)用簡報(bào)介紹了設(shè)計(jì) NVH 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)要考慮的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

噪音、振動(dòng)和不平順性 (NVH)

汽車測試中的噪聲、振動(dòng)和不平順性 (NVH) 分析是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAQ) 的一個(gè)用例。噪聲和振動(dòng)是定量測量項(xiàng)，測量聽到和感受到的振蕩，而不平順性是定性測量項(xiàng)，描述因物理運(yùn)動(dòng)和環(huán)境噪聲給乘客造成的不適感。NVH 分析用于識(shí)別噪聲和振動(dòng)的源頭，以減少這些噪聲和振動(dòng)的影響。過多的噪聲和振動(dòng)會(huì)更快地讓駕駛員感到疲勞，并為車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)增加不必要的應(yīng)力，從而帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛改變了 NVH 測試的要求，因?yàn)殡妱?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)比內(nèi)燃機(jī) (ICE) 更安靜。車輛內(nèi)部和外部都有許多 NVH 源頭。源頭包括發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、外部風(fēng)發(fā)出的聲音。ICE 會(huì)淹沒一些環(huán)境噪聲，因此電動(dòng)車需要考慮更多明顯的噪聲源。此外，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)曲線與 ICE 不同。例如，電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)往往產(chǎn)生比 ICE 頻率更高的噪聲。用于減少 ICE 噪聲的阻尼和吸收結(jié)構(gòu)不是為了降低電機(jī)的噪聲而設(shè)計(jì)的。此外，不同的結(jié)構(gòu)材料有不同的噪聲生成和吸收特性，這些特性會(huì)影響噪聲在整個(gè)車輛中的傳播和放大方式。

NVH 測量

用于 NVH 測量的傳感器各種各樣，例如麥克風(fēng)、加速計(jì)和測振儀。NVH 測量的頻率范圍是大約 10Hz 到大約 100kHz。例如，道路振動(dòng)的測量單位為赫茲，而內(nèi)部嘎吱聲的測量單位為數(shù)十千赫茲。輸出電壓從數(shù)百毫伏至數(shù)伏特不等，具體取決于傳感器。

許多 NVH 測試需要多個(gè)通道，例如放置在車輛周圍不同位置的麥克風(fēng)或三個(gè)用于測量 3 軸振動(dòng)的加速計(jì)。為了有效收集數(shù)據(jù)，不同的測量通道需要彼此同步。有時(shí)，在通道間進(jìn)行隔離以防止通道間的干擾。

在設(shè)計(jì)和原型制作過程的各個(gè)階段都要進(jìn)行 NVH 測試，因?yàn)樵谠撨^程早期收集的數(shù)據(jù)可用于調(diào)優(yōu)子系統(tǒng)仿真軟件，并且以后可為設(shè)計(jì)決策提供信息。設(shè)計(jì)工程師使用收集的數(shù)據(jù)來構(gòu)建和改進(jìn)噪聲仿真模型，從而分析不同噪聲源之間的相互作用。最終，設(shè)計(jì)人員希望降低現(xiàn)存的噪聲和振動(dòng)量，而且及早識(shí)別噪聲源可以讓設(shè)計(jì)人員更輕松地降低整體影響。通過吸收、減源、屏障和隔離技術(shù)可以減少不必要的噪聲和振動(dòng)。

噪聲和振動(dòng)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/h2>

圖 1 是用于測量噪聲和振動(dòng)的模擬信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

圖 1 包含 PGA855、THS4551 和 ADS127L21 的信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/span>

所需的系統(tǒng)輸入電壓范圍和帶寬取決于傳感器。為了適應(yīng)多種傳感器，系統(tǒng)需要靈活的輸入電壓范圍和寬帶寬。例如，麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍可以是 20dB 至 135dB（0.2mPa 至 112Pa），頻率范圍為 10Hz 至 20kHz，靈敏度為 50mV/Pa。這意味著，帶寬必須能夠測量 20kHz 的信號(hào)，且輸入范圍為 5.6V (112pA × 50mV/Pa)。應(yīng)變儀的測量范圍可以是 ±100mV/με，頻率范圍為 1Hz 至 100kHz，靈敏度為 50mV/με。所需的帶寬更大，所需的輸入電壓范圍為 10V。

由于 PGA855 寬帶很寬，輸入偏置電流 (1nA) 和輸入?yún)⒖荚肼暎ㄔ鲆?16V/V 時(shí)為 7.8nV/rtHz）低而且增益設(shè)置可配置（1/8 到 16V/V），因此它是輸入放大器的理想選擇。PGA855 在所有增益下?lián)碛衅教沟?10MHz 通帶，可保持輸入信號(hào)在測量路徑中失真較小。低輸入?yún)⒖荚肼暫荜P(guān)鍵，因?yàn)樵肼晻?huì)通過信號(hào)鏈傳播，使得輸入放大器可限制整個(gè)系統(tǒng)的性能。可配置的增益選項(xiàng)允許 PGA855 將輸入信號(hào)擴(kuò)大到 ADC 滿量程范圍，因而各種傳感器可使用一條信號(hào)鏈路徑。

ADS127L21 ADC 具有 24 位分辨率和 200kSPS 下的高動(dòng)態(tài)范圍 (111.5dB)，所以非常適合此應(yīng)用。24 位分辨率使得 ADC 能夠測量非常敏感的傳感器發(fā)出的 μV 信號(hào)。高采樣率足以滿足奈奎斯特采樣率標(biāo)準(zhǔn)（至少是最大采樣頻率的兩倍），可用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣以增加信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍。此外，ADS127L21 還具有可編程的 IIR 和 FIR 濾波器，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)帶寬要求調(diào)優(yōu)信號(hào)鏈。ADC 的輸入端使用一個(gè)帶寬為 100kHz 的抗混疊濾波器，以保證傳感器發(fā)出的無用高頻信號(hào)不干擾目標(biāo)信號(hào)。

要查看更詳細(xì)的設(shè)計(jì)信息和測試數(shù)據(jù)，請(qǐng)參閱適用于 100kHz 帶寬數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的抗混疊濾波器設(shè)計(jì)。

結(jié)語

在設(shè)計(jì)和制造安全舒適的車輛時(shí)，NVH 測試和分析是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。隨著汽車市場的變化和發(fā)展，汽車測試也必須變化和發(fā)展。NVH 是聲音和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的特定應(yīng)用，而非汽車行業(yè)所獨(dú)有。航空測試和消費(fèi)電器設(shè)計(jì)也使用聲音和振動(dòng)分析。隨著汽車電氣化的不斷推進(jìn)，市場對(duì) NVH 測量的需求不斷增長。TI 提供的器件和信號(hào)鏈設(shè)計(jì)是 NVH 測量的理想選擇。有關(guān)用于設(shè)計(jì) DAQ 系統(tǒng)的 TI 資源的更多信息，請(qǐng)點(diǎn)擊此處。