引言

數據采集系統 (DAQ) 是測試裝置中的重要組成部分，因為這些系統將物理世界的測量數據轉移到可分析數據的計算機上。技術的變化和進步很快就會帶來測試的改進，因為標準測試程序可能不充分或不實用。近年來，隨著越來越多的汽車制造商推出電動汽車和混合動力汽車，汽車行業的格局迅速改變。本文將探討與汽車測試相關的噪聲、振動和不平順性 (NVH) 數據采集。NVH 測量對于確保車輛在道路上平穩行駛和乘客的舒適體驗至關重要。本應用簡報介紹了設計 NVH 數據采集系統時要考慮的關鍵挑戰。

噪音、振動和不平順性 (NVH)

汽車測試中的噪聲、振動和不平順性 (NVH) 分析是數據采集系統 (DAQ) 的一個用例。噪聲和振動是定量測量項，測量聽到和感受到的振蕩，而不平順性是定性測量項，描述因物理運動和環境噪聲給乘客造成的不適感。NVH 分析用于識別噪聲和振動的源頭，以減少這些噪聲和振動的影響。過多的噪聲和振動會更快地讓駕駛員感到疲勞，并為車輛的機械結構增加不必要的應力，從而帶來安全風險。

電動和混合動力車輛改變了 NVH 測試的要求，因為電動發動機比內燃機 (ICE) 更安靜。車輛內部和外部都有許多 NVH 源頭。源頭包括發動機、制動器、外部風發出的聲音。ICE 會淹沒一些環境噪聲，因此電動車需要考慮更多明顯的噪聲源。此外，電動發動機的聲學曲線與 ICE 不同。例如，電動車發動機的噪聲和振動往往產生比 ICE 頻率更高的噪聲。用于減少 ICE 噪聲的阻尼和吸收結構不是為了降低電機的噪聲而設計的。此外，不同的結構材料有不同的噪聲生成和吸收特性，這些特性會影響噪聲在整個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、加速計和測振儀。NVH 測量的頻率范圍是大約 10Hz 到大約 100kHz。例如，道路振動的測量單位為赫茲，而內部嘎吱聲的測量單位為數十千赫茲。輸出電壓從數百毫伏至數伏特不等，具體取決于傳感器。

許多 NVH 測試需要多個通道，例如放置在車輛周圍不同位置的麥克風或三個用于測量 3 軸振動的加速計。為了有效收集數據，不同的測量通道需要彼此同步。有時，在通道間進行隔離以防止通道間的干擾。

在設計和原型制作過程的各個階段都要進行 NVH 測試，因為在該過程早期收集的數據可用于調優子系統仿真軟件，并且以后可為設計決策提供信息。設計工程師使用收集的數據來構建和改進噪聲仿真模型，從而分析不同噪聲源之間的相互作用。最終，設計人員希望降低現存的噪聲和振動量，而且及早識別噪聲源可以讓設計人員更輕松地降低整體影響。通過吸收、減源、屏障和隔離技術可以減少不必要的噪聲和振動。

噪聲和振動信號鏈示例

圖 1 是用于測量噪聲和振動的模擬信號鏈示例。

圖 1 包含 PGA855、THS4551 和 ADS127L21 的信號鏈示例

所需的系統輸入電壓范圍和帶寬取決于傳感器。為了適應多種傳感器，系統需要靈活的輸入電壓范圍和寬帶寬。例如，麥克風的動態范圍可以是 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，且輸入范圍為 5.6V (112pA × 50mV/Pa)。應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) 和輸入參考噪聲（增益 16V/V 時為 7.8nV/rtHz）低而且增益設置可配置（1/8 到 16V/V），因此它是輸入放大器的理想選擇。PGA855 在所有增益下擁有平坦的 10MHz 通帶，可保持輸入信號在測量路徑中失真較小。低輸入參考噪聲很關鍵，因為噪聲會通過信號鏈傳播，使得輸入放大器可限制整個系統的性能。可配置的增益選項允許 PGA855 將輸入信號擴大到 ADC 滿量程范圍，因而各種傳感器可使用一條信號鏈路徑。

ADS127L21 ADC 具有 24 位分辨率和 200kSPS 下的高動態范圍 (111.5dB)，所以非常適合此應用。24 位分辨率使得 ADC 能夠測量非常敏感的傳感器發出的 μV 信號。高采樣率足以滿足奈奎斯特采樣率標準（至少是最大采樣頻率的兩倍），可用于對信號進行過采樣以增加信號鏈的動態范圍。此外，ADS127L21 還具有可編程的 IIR 和 FIR 濾波器，允許設計人員根據帶寬要求調優信號鏈。ADC 的輸入端使用一個帶寬為 100kHz 的抗混疊濾波器，以保證傳感器發出的無用高頻信號不干擾目標信號。

要查看更詳細的設計信息和測試數據，請參閱適用于 100kHz 帶寬數據采集信號鏈的抗混疊濾波器設計。

結語

在設計和制造安全舒適的車輛時，NVH 測試和分析是一個關鍵組成部分。隨著汽車市場的變化和發展，汽車測試也必須變化和發展。NVH 是聲音和振動數據采集的特定應用，而非汽車行業所獨有。航空測試和消費電器設計也使用聲音和振動分析。隨著汽車電氣化的不斷推進，市場對 NVH 測量的需求不斷增長。TI 提供的器件和信號鏈設計是 NVH 測量的理想選擇。有關用于設計 DAQ 系統的 TI 資源的更多信息，請點擊此處。