المؤلف: ADI David Guo ، مهندس تطبيق المنتج ، Steven Xie ، مهندس تطبيق المنتج
تحظى أنظمة الحصول على البيانات الدقيقة (DAQ) بشعبية كبيرة في التطبيقات الصناعية. تتطلب بعض تطبيقات DAQ استهلاكًا منخفضًا للطاقة وضوضاء منخفضة للغاية. مثال على ذلك هو تطبيق أجهزة الاستشعار الزلزالية. يمكن استخراج قدر كبير من المعلومات من البيانات الزلزالية. يمكن استخدام هذه المعلومات في مجموعة واسعة من التطبيقات ، مثل مراقبة الصحة الهيكلية ، والبحوث الجيوفيزيائية ، والتنقيب عن البترول ، وحتى الأمن الصناعي والمنزلي.
متطلبات سلسلة إشارة DAQ
الجيوفونات هي أجهزة تحويل كهروميكانيكية تقوم بتحويل إشارات اهتزاز الأرض إلى إشارات كهربائية ، وهي مناسبة للاستكشاف الزلزالي عالي الدقة. يتم زرعها على الأرض على طول المصفوفة لقياس الوقت الذي تستغرقه الموجات الزلزالية للارتداد عن سطح غير متصل (مثل المستوى) ، كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1. المصدر الزلزالي ومجموعة الجيوفون
لالتقاط إشارة الخرج الصغيرة للجيوفون ، يجب إنشاء سلسلة إشارة DAQ عالية الحساسية لتحليل البيانات. يجب أن يكون إجمالي ضوضاء جذر متوسط التربيع 1.0 μV جذر متوسط التربيع ، ومدى عرض النطاق المنخفض المسطح المحدود من 300 هرتز إلى 400 هرتز ، وينبغي أن تحقق سلسلة الإشارة THD تبلغ حوالي -120 ديسيبل. نظرًا لأن الجهاز الزلزالي يتم تشغيله بواسطة بطارية ، فيجب التحكم في استهلاك الطاقة عند حوالي 30 ميجاوات.
تقدم هذه المقالة حلين لسلسلة الإشارات ، والأهداف والمتطلبات التي تم تحقيقها هي كما يلي:
· كسب PGIA: 1 ، 2 ، 4 ، 8 ، 16
· ADC مع مرشح النطاق العريض القابل للبرمجة المتكامل
· عندما يكون الكسب = 1 (عرض النطاق الترددي -3 ديسيبل هو 300 هرتز إلى حوالي 400 هرتز) ، تكون ضوضاء RTI 1.0 μV rms
· THD: -120 ديسيبل (عند الكسب = 1)
· CMRR ＞ 100 ديسيبل (عند الكسب = 1)
· استهلاك الطاقة (PGIA plus ADC): 33 ميجاوات
· القناة الثانية تستخدم للاختبار الذاتي
حل سلسلة إشارة DAQ
لا توجد ADC دقيقة على موقع ADI الإلكتروني الذي يحتوي على كل هذه الميزات ويمكن أن يحقق ضوضاء منخفضة و THD ، ولا يمكن لأي PGIA توفير مثل هذا الضجيج المنخفض واستهلاك الطاقة. ومع ذلك ، يوفر ADI مضخمات دقة ممتازة و ADCs دقيقة يمكن استخدامها لبناء سلاسل إشارات لتحقيق الأهداف.
من أجل بناء ضوضاء منخفضة وتشويه منخفض واستهلاك منخفض للطاقة PGIA أو ضوضاء منخفضة للغاية ADA4084-2 أو مضخم صوت بدون انجراف ADA4522-2 تعد خيارات جيدة.
فيما يتعلق بوحدات ADC عالية الدقة ، فإن الخيار الأفضل هو الطراز 24 بت Σ-Δ ADC AD7768-1 أو SAR ADC LTC32-2500 32 بت. أنها توفر ODR شكلي وتدمج مرشحات FIR المسطحة منخفضة التمرير ، ومناسبة لتطبيقات DAQ المختلفة.
حلول سلسلة الإشارات الزلزالية: ADA4084-2 PGIA و AD7768-1
يوضح الشكل 2 سلسلة الإشارة بأكملها. ADA4084-2 و ADG658 و 0.1٪مقاومةضوضاء منخفضة ، يمكن إنشاء THD PGIA منخفضة ، مما يوفر ما يصل إلى ثمانية خيارات كسب مختلفة. AD7768-1 عبارة عن قناة واحدة ، استهلاك منخفض للطاقة ، -120 ديسيبل THD منصة. يحتوي على مرشح FIR قابل للبرمجة منخفض التموج ، DC إلى 110 كيلو هرتز ، ويستخدم LT8 كمرجع الجهد االكهربى مصدر.
الشكل 2. ADA4084-2 PGIA و AD7768-1 plusMCUحل سلسلة الإشارة المفلترة
عندما يعمل AD7768-1 مع ODR بقيمة 1 kSPS ، يكون الجذر التربيعي المتوسط للضوضاء 1.76 μV rms ؛ في وضع الاستهلاك المنخفض للطاقة ، يكون استهلاك الطاقة 10 ميجاوات. من أجل تحقيق ضوضاء rms 1.0 μV النهائية ، يمكن أن تعمل عند ODR أعلى ، مثل 16 kSPS في وضع السرعة المتوسطة. عندما يعمل AD7768-1 بتردد أعلى معدل ، يكون له أرضية ضوضاء أقل (كما هو موضح في الشكل 3) واستهلاك أعلى للطاقة. يمكن تنفيذ خوارزمية مرشح FIR ذي التمرير المنخفض المسطح في برنامج MCU للتخلص من ضوضاء النطاق الترددي الأعلى وتقليل ODR النهائي إلى 1 kSPS. سيكون الجذر النهائي للضوضاء المربعة حوالي ربع 3.55μV أو 0.9μV.
image 3. استخدم مرشح وظيفة MCU لموازنة ODR AD7768-1 لتحقيق أداء الضوضاء المستهدف
كمثال ، يمكن إنشاء مرشح FIR لبرنامج MCU كما هو موضح في الشكل 4 لموازنة الأداء وتأخير المجموعة.
حلول سلسلة الإشارات الزلزالية: ADA4084-2 PGIA و LTC2500-32
ADI's LTC2500-32 هو منخفض الضوضاء ، منخفض الطاقة ، عالي الأداء 32 بت SAR ADC مع مرشح رقمي متكامل قابل للتكوين. إن الضوضاء المنخفضة للفلتر الرقمي 32 بت ومخرجات INL المنخفضة تجعله مناسبًا بشكل خاص لتطبيقات علم الزلازل واستكشاف الطاقة.
يجب أن يتم تخزين مصادر المعاوقة العالية مؤقتًا لتقليل وقت الاستقرار أثناء الاستحواذ وتحسين خطية المحول مكثف إدخال SAR ADC. من أجل الحصول على أفضل أداء، يجب استخدام مضخم عازل لتشغيل الإدخال التناظري لجهاز LTC2500-32. يجب تصميم PGIA منفصلةدائرة كهربائيةلدفع LTC2500-32 لتحقيق ضوضاء منخفضة و THD منخفض (تم تقديمه في جزء PGIA).
تنفيذ PGIA
المواصفات الرئيسية لـ PGIA الدارة الكهربائية تتضمن:
· مزود الطاقة: 5 فولت (كحد أدنى)
· AD7768-1 لديه استهلاك طاقة يبلغ 19.7 ميغاواط ، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة في PGIA الدارة الكهربائية يجب أن تكون أقل من 13. 3 ميجاوات ، من أجل تلبية هدف استهلاك الطاقة البالغ 33 ميجاوات
· الضوضاء: عندما يكون الكسب = 1 ، تكون الضوضاء 0. 178 μV rms ، أي حوالي 1/10 من 7768-1 AD. 78 μV جذر متوسط التربيع
هناك ثلاثة أنواع من طبولوجيا PGIA:
· متكامل PGIA
· PGIA منفصل مع مضخم أجهزة متكامل
· PGIA منفصل مع مكبر تشغيلي
يسرد الجدول 1 PGIA الرقمي لـ ADI. يحتوي LTC6915 على أدنى معدل ذكاء. تبلغ كثافة الضوضاء 50 nV / Hz ، والضوضاء المدمجة في عرض النطاق الترددي 430 Hz هي 1.036 μV rms ، والتي تتجاوز القيمة المستهدفة البالغة 0.178 μV rms. لذلك ، فإن دمج PGIA ليس خيارًا جيدًا.
يسرد الجدول 2 العديد من مكبرات الصوت للأجهزة ، بما في ذلك AD8422 مع 300μA IQ. ضوضاءها المدمجة في عرض النطاق الترددي 430 هرتز هي 1.645 μV rms ، لذلك فهي ليست خيارًا جيدًا أيضًا.
الشكل 4. مرحلة مرشح MCU post FIR
الشكل 5. ADA4084-2 PGIA و LTC2500-32 حل سلسلة الإشارة
الصورة 6. LTC2500－32 ضوضاء مرشح نطاق المرور المسطح تحت معاملات الاختزال المختلفة
الجدول 1. PGIA الرقمي
الجدول 2. مكبر للصوت الأجهزة
الجدول 3. ضجيج منخفض ، مضخم تشغيلي منخفض الطاقة
الشكل 7: مخطط كتلة PGIA المنفصل
استخدم مكبر تشغيلي لبناء PGIA منفصل
يناقش مقال "مضخم أجهزة الكسب القابل للبرمجة: العثور على أفضل مكبر للصوت لك" العديد من أنظمة PGIA المتكاملة ويوفر إرشادات جيدة لبناء PGIAs منفصلة تلبي متطلبات محددة 2. يوضح الشكل 7 مخطط كتلة لـ PGIA المنفصل الدارة الكهربائية.
يمكنك اختيار ADG659 / ADG658 بسعة منخفضة ومصدر طاقة 5 فولت.
لمضخمات التشغيل ، معدل الذكاء (كثافة الجهد
فيما يتعلق بمقاومة الكسب ، اختر مقاومة 1.2 kΩ / 300Ω / 75Ω / 25Ω لتحقيق كسب 1/4/16/64. كلما زادت المقاومة ، قد تزداد الضوضاء ، وكلما قلت المقاومة ، زادت الحاجة إلى استهلاك الطاقة. إذا كانت تكوينات الكسب الأخرى مطلوبة ، فيجب اختيار المقاومات بعناية لضمان الدقة.
المدخلات التفاضلية ADC تعمل كطرح. إن CMRR الخاص بـ ADC أكبر من 100 ديسيبل ، والذي يمكن أن يفي بمتطلبات النظام.
محاكاة الضوضاء
يمكنك استخدام LTspice؟ لمحاكاة أداء الضوضاء لـ PGIA المنفصل. عرض النطاق الترددي للضوضاء المتكامل 430 هرتز. يوضح الجدول 4 نتائج محاكاة الضوضاء لاثنين من PGIAs و AD7768-1. يتمتع حل ADA4084 بأداء أفضل للضوضاء ، خاصةً عند المكاسب العالية.
الجدول 4 نتائج محاكاة الضوضاء
تعويض في الحلقة الدارة الكهربائية يقود LTC2500－32
يدمج AD7768-1 مضخم شحن مسبق لتقليل متطلبات القيادة. بالنسبة إلى ADCs SAR ، مثل LTC2500-32 ، يوصى عمومًا باستخدام مضخم صوت عالي السرعة كسائق. في تطبيق DAQ هذا ، تكون متطلبات النطاق الترددي منخفضة للغاية. من أجل قيادة LTC2500-32 ، يوصى باستخدام تعويض في الحلقة الدارة الكهربائية مكون من مضخم دقيق (ADA4084-2). يوضح الشكل 8 التعويض داخل الحلقة PGIA المستخدم لقيادة LTC2500-32. يتميز PGIA بالخصائص التالية:
· تُستخدم المكونات الرئيسية لـ R22 / C14 / R30 / C5 و R27 / C6 / R31 / C3 لتحسين ثبات التعويض الدارة الكهربائية في الحلقة.
· باستخدام ADG659 ، A1 / A0 = 00 ، كسب = 1 ، مسار التغذية المرتدة للمكبر العلوي هو خرج مكبر الصوت؟ R22؟ R30؟ S1A؟ DA؟ R6؟ AMP - IN.
· باستخدام ADG659 ، A1 / A0 = 11 ، كسب = 64 ، مسار التغذية المرتدة للمكبر العلوي هو خرج مكبر الصوت؟ R22؟ R8؟ R10؟ R12؟ S4A؟ DA؟ R6؟ AMP - IN.
تم توصيل PGIA بـ LTC2500-32EVB للتحقق من الأداء. قم بتجربة مكونات سلبية مختلفة (R22 / C14 / R30 / C5 و R27 / C6 / R31 / C3) لتحقيق أداء أفضل THD والضوضاء في ظل مكاسب مختلفة (1/4/16/64). قيم المكونات النهائية هي: R22 / R27 = 100 Ω ، C14 / C6 = 1 nF ، R30 / R31 = 1.2 kΩ ، C3 / C5 = 0.22؟ F. عندما يكون الكسب أقل من PGIA هو 1 ، يكون عرض النطاق المقاس 3 ديسيبل حوالي 16 كيلو هرتز.
الشكل 8. يقود PGIA LTC2500-32
إعدادات تقييم مقاعد البدلاء
من أجل اختبار أداء الضوضاء ، يتم تصنيع لوحات THD و CMRR المنفصلة ADA4084-2 PGIA و AD7768-1 في حل كامل. هذا الحل متوافق مع لوحة التقييم EVAL-AD7768-1 ، لذلك يمكنه التفاعل مع لوحة التحكم SDP-H1. لذلك ، يمكنك استخدام واجهة المستخدم الرسومية لبرنامج EVAL-AD7768FMCZ لجمع البيانات وتحليلها.
تم تصميم لوحات ADA4084-2 PGIA و LTC2500-32 كحلول بديلة كاملة.الدارة الكهربائية مجلسواجهة مع لوحة التحكم SDP-H1 ويتم التحكم فيها بواسطة برنامج LTC2500-32FMCZ GUI.
تم تصميم كسب PGIA للوحين ليكون 1/2/4/8/16 ، والذي يختلف عن ذلك الموضح في الشكل 8. ويبين الجدول 5 نتائج التقييم لهاتين اللوحتين.
الشكل 9. ADA4084-2 PGIA و AD7768-1 حل مجلس التقييم
الجدول 5. نتائج اختبار حل سلسلة الإشارات
الشكل 10. FFT للوحات ADA4084-2 PGIA و LTC2500-32 عندما يكون الربح 1
فى الختام
لتطبيقات علم الزلازل واستكشاف الطاقة ، من أجل تصميم حل DAQ منخفض الضوضاء ومنخفض الطاقة للغاية ، يمكن تصميم PGIA المنفصل بمضخم دقيق منخفض الضوضاء ومنخفض THD لتشغيل ADC عالي الدقة بدقة. يمكن لهذا الحل أن يوازن بمرونة بين الضوضاء و THD و ODR وفقًا لمتطلبات الطاقة.
· الأداء المنخفض للضوضاء لـ LTC2500-32 جنبًا إلى جنب مع مزايا ADA4084-2 و LTC2500-32 يجعل الحل يعرض أفضل أداء للضوضاء دون الحاجة إلى مزيد من التصفية بواسطة MCU.
· عندما يكسب PGIA = 1 ، يكون لدى ADA4522-2 و ADA4084-2 أداء ضوضاء جيد. أداء الضوضاء حوالي 0.8؟ جذر متوسط التربيع.
· يتمتع ADA4084-2 بأداء أفضل للضوضاء عند الكسب العالي. عندما يكون الكسب = 16 ، فإن ضوضاء ADA4084-2 و LTC2500-32 هي 0.19 μV rms ، وهو أفضل من ADA4522-2's 0.25 μV rms.
· بالنسبة إلى AD7768-1 ، بمساعدة تصفية MCU ، تُظهر حلول ADA4084-2 و AD7768-1 أداء ضوضاء مشابهًا لحلول ADA4084-2 و LTC2500-32.
يتطلب حل الحصول على البيانات المقدم في هذه المقالة ضوضاء منخفضة واستهلاكًا منخفضًا للطاقة ، ولكن النطاق الترددي محدود. تطبيقات DAQ الأخرى لها متطلبات أداء مختلفة. إذا لم يكن استهلاك الطاقة المنخفض ضروريًا ، فيمكن استخدام مكبرات الصوت التشغيلية التالية لبناء PGIA:
· أقل ضوضاء: يمكن اعتبار LT1124 و LT1128 للحصول على أفضل أداء للضوضاء.
· أقل انجراف: يتميز مكبر الصوت الجديد ADA4523 بخصائص ضوضاء أفضل من ADA4522-2 و LTC2500-32.
· الحد الأدنى من تيار التحيز: إذا كانت مقاومة خرج المستشعر عالية ، يوصى باستخدام ADA4625-1.
· عرض النطاق الترددي العالي: تعد ADA4807 و LTC6226 و LTC6228 حلولًا جيدة عند إنشاء نطاق ترددي عالٍ وضوضاء منخفضة PGIA في تطبيقات DAQ ذات النطاق الترددي العالي.
في تطبيقات DAQ حيث الضوضاء واستهلاك الطاقة غير مهمين ، ولكنها تتطلب مساحة أصغر من ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتكامل عالٍ ، تعد PGIA ADA4254 و LTC6373 المدمجة الجديدة من ADI خيارات جيدة أيضًا. إن ADA4254 عبارة عن سيارة خالية من الانجراف وعاليةالجهد االكهربى، PGIA قوي مع ربح من 1/16 إلى ~ 176 ، في حين أن LTC6373 عبارة عن 25 pA IBIAS ، 36 V ، 0.25 إلى ~ 16 مكسبًا ، منخفض THD PGIA.
الجدول 6 - دقة اختيار مكبر للصوت التشغيلي الجدول
الرقم المرجعي
1 جيفون. ScienceDirect.
2 جيسي سانتوس وأنجيلو نيكو كاتابانج وإربي دي ريتا. "فهم أساسيات شبكات الكشف عن الإشارات الزلزالية". الحوار التناظري ، المجلد 53 ، العدد 4 ، ديسمبر 2019.
3 كريستينا فورتونادو. "مضخم أجهزة الكسب القابل للبرمجة: اعثر على أفضل مكبر للصوت لك." الحوار التناظري ، المجلد 52 ، العدد 4 ، ديسمبر 2018.
عن المؤلف
ديفيد جو هو مهندس تطبيقات المنتجات في قسم المنتجات الخطية للأجهزة التناظرية. انضم إلى مركز التطبيقات الصيني التابع لشركة ADI في عام 2007 كمهندس تطبيقات، ثم تم نقله إلى قسم مكبرات الصوت الدقيقة كمهندس تطبيقات في يونيو 2011. منذ يناير 2013، عمل ديفيد كمهندس تطبيقات في قسم المنتجات الخطية للأجهزة التناظرية. وهو مسؤول عن الدعم الفني لمكبرات الصوت الدقيقة، ومكبرات الصوت للأجهزة، ومكبرات الصوت عالية السرعة، ومكبرات الصوت الحالية، والمضاعفات، ومصادر الجهد المرجعي، ومنتجات RMS-DC. حصل ديفيد على درجة البكالوريوس ودرجة الماجستير في الهندسة الميكانيكية والكهربائية من معهد بكين تكنولوجيا. جهة الاتصال: ديفيد. قوه @ التناظرية. com.
انضم Steven Xie إلى فرع ADI Beijing في مارس 2011 كمهندس تطبيق منتج في ADI China Design Center. وهو مسؤول عن الدعم الفني لمنتجات SAR ADC في السوق الصينية. قبل ذلك ، عمل كمصمم أجهزة في مجال محطات الاتصالات اللاسلكية لمدة أربع سنوات. في عام 2007 ، تخرج ستيفن من جامعة بكين للملاحة الجوية والملاحة الفضائية بدرجة الماجستير في نظم الاتصالات والمعلومات.