Autor: ADI David Guo, Produktanwendungsingenieur, Steven Xie, Produktanwendungsingenieur
Präzisionsdatenerfassungssysteme (DAQ) sind in industriellen Anwendungen sehr beliebt. Einige Datenerfassungsanwendungen erfordern einen geringen Stromverbrauch und ein extrem niedriges Rauschen. Ein Beispiel ist die Anwendung von seismischen Sensoren. Aus seismischen Daten kann eine große Menge an Informationen extrahiert werden. Diese Informationen können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, z. B. bei der Überwachung des strukturellen Zustands, der geophysikalischen Forschung, der Erdölexploration und sogar der Industrie- und Haushaltssicherheit.
Anforderungen an die DAQ-Signalkette
Geophone sind elektromechanische Umwandlungsgeräte, die Bodenschwingungssignale in elektrische Signale umwandeln und für hochauflösende seismische Erkundungen geeignet sind. Sie werden entlang des Arrays in den Boden implantiert, um die Zeit zu messen, die seismische Wellen benötigen, um von einer diskontinuierlichen Oberfläche (z. B. einer Ebene) abzuprallen, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1.Seismische Quelle und Geophon-Array
Um das kleine Ausgangssignal des Geophons zu erfassen, muss für die Datenanalyse eine hochempfindliche DAQ-Signalkette aufgebaut werden. Das gesamte rms-Rauschen sollte 1.0 μV rms betragen, der begrenzte flache Tiefpass-Bandbreitenbereich beträgt etwa 300 Hz bis 400 Hz und die Signalkette sollte einen THD von etwa -120 dB erreichen. Da das seismische Instrument von einer Batterie gespeist wird, sollte der Stromverbrauch auf etwa 30 mW eingestellt werden.
In diesem Artikel werden zwei Signalkettenlösungen vorgestellt, die erreichten Ziele und Anforderungen sind wie folgt:
· PGIA-Verstärkung: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC mit integriertem programmierbarem Breitbandfilter
· Wenn die Verstärkung = 1 ist (die Bandbreite von -3 dB beträgt 300 Hz bis etwa 400 Hz), beträgt das RTI-Rauschen 1.0 μV rms
· Klirrfaktor: -120 dB (bei Verstärkung = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (bei Verstärkung = 1)
· Leistungsaufnahme (PGIA plus ADC): 33 mW
· Der zweite Kanal wird für den Selbsttest verwendet
DAQ-Signalkettenlösung
Es gibt keinen Präzisions-ADC auf der ADI-Website, der all diese Funktionen bietet und ein so niedriges Rauschen und einen so niedrigen THD erreichen kann, und kein PGIA kann ein so niedriges Rauschen und einen so geringen Stromverbrauch bieten. ADI bietet jedoch hervorragende Präzisionsverstärker und Präzisions-ADCs, mit denen Signalketten aufgebaut werden können, um Ziele zu erreichen.
Um ein rauscharmes, verzerrungsarmes und stromsparendes PGIA aufzubauen, sind der extrem rauscharme ADA4084-2 oder der Null-Drift-Verstärker ADA4522-2 eine gute Wahl.
Bei hochpräzisen ADCs sind der 24-Bit Σ-Δ ADC AD7768-1 oder der 32-Bit SAR ADC LTC2500-32 die beste Wahl. Sie bieten konfigurierbares ODR und integrieren flache Tiefpass-FIR-Filter, die für verschiedene DAQ-Anwendungen geeignet sind.
Lösungen für seismische Signalketten: ADA4084-2 PGIA und AD7768-1
Abbildung 2 zeigt die gesamte Signalkette. ADA4084-2, ADG658 und 0.1%WiderstandEs kann ein rauscharmer PGIA mit niedrigem THD konstruiert werden, der bis zu acht verschiedene Verstärkungsoptionen bietet. AD7768-1 ist eine einkanalige Plattform mit geringem Stromverbrauch und -120 dB THD. Es verfügt über einen programmierbaren FIR-DC- bis 110-kHz-Digitalfilter mit geringer Restwelligkeit und verwendet LT8 als Referenz Spannung Quelle.
Abbildung 2. ADA4084-2 PGIA und AD7768-1 plusMCUGefilterte Signalkettenlösung
Wenn AD7768-1 mit einer ODR von 1 kSPS läuft, beträgt der Effektivwert des Rauschens 1.76 μV rms; Im Modus mit geringem Stromverbrauch beträgt die Leistungsaufnahme 10 mW. Um das endgültige Rauschen von 1.0 μV rms zu erreichen, kann es mit einem höheren ODR betrieben werden, beispielsweise 16 kSPS im Modus mittlerer Geschwindigkeit. Wenn der AD7768-1 mit einer höheren Modulatorfrequenz läuft, hat er ein niedrigeres Grundrauschen (wie in Abbildung 3 gezeigt) und einen höheren Stromverbrauch. Der flache Tiefpass-FIR-Filteralgorithmus kann in MCU-Software implementiert werden, um Rauschen mit höherer Bandbreite zu eliminieren und die endgültige ODR auf 1 kSPS zu reduzieren. Der endgültige Effektivwert des Rauschens beträgt etwa ein Viertel von 3.55 μV oder 0.9 μV.
image 3.Verwenden Sie den MCU-Nachfilter, um den ODR von AD7768-1 auszugleichen, um die angestrebte Rauschleistung zu erreichen
Als Beispiel kann der MCU-Software-FIR-Filter wie in Abbildung 4 gezeigt konstruiert werden, um Leistung und Gruppenverzögerung auszugleichen.
Seismische Signalkettenlösungen: ADA4084-2 PGIA und LTC2500-32
Der LTC2500-32 von ADI ist ein rauscharmer, stromsparender und leistungsstarker 32-Bit-SAR-ADC mit integriertem konfigurierbarem Digitalfilter. Das geringe Rauschen und der niedrige INL-Ausgang des 32-Bit-Digitalfilters machen ihn besonders geeignet für Seismologie- und Energieexplorationsanwendungen.
Quellen mit hoher Impedanz sollten gepuffert werden, um die Einschwingzeit während der Erfassung zu minimieren und die Linearität der geschalteten Signale zu optimieren Kondensator Eingang SAR ADC. Um die beste Leistung zu erzielen, sollte ein Pufferverstärker zur Ansteuerung des Analogeingangs des LTC2500-32 verwendet werden. Es muss ein diskreter PGIA entworfen werdenSchaltungUm LTC2500-32 anzutreiben, um geringes Rauschen und niedrigen THD zu erreichen (eingeführt im PGIA-Teil).
PGIA-Implementierung
Die wichtigsten Spezifikationen des PGIA Schaltung -System umfasst:
· Stromversorgung: 5 V (Minimum)
· AD7768-1 hat einen Stromverbrauch von 19.7 mW, also den Stromverbrauch des PGIA Schaltung sollte weniger als 13 mW betragen, um das Stromverbrauchsziel von 3 mW zu erreichen
· Rauschen: Bei Verstärkung = 1 beträgt das Rauschen 0 μV rms, was etwa 178/1 von AD10-7768 entspricht. 1 μV rms
Es gibt drei Arten von PGIA-Topologien:
· Integriertes PGIA
· Diskreter PGIA mit integriertem Instrumentenverstärker
· Diskreter PGIA mit Operationsverstärker
Tabelle 1 listet den digitalen PGIA von ADI auf. Der LTC6915 hat den niedrigsten IQ. Die Rauschdichte beträgt 50 nV/√Hz, das integrierte Rauschen in der 430-Hz-Bandbreite beträgt 1.036 µV rms, was den Zielwert von 0.178 µV rms überschreitet. Daher ist die Integration von PGIA keine gute Wahl.
Tabelle 2 listet mehrere Instrumentenverstärker auf, darunter den AD8422 mit 300μA IQ. Sein integriertes Rauschen in der 430-Hz-Bandbreite beträgt 1.645 μV rms und ist damit ebenfalls keine gute Wahl.
Abbildung 4. MCU nach der FIR-Filterstufe
Abbildung 5. ADA4084-2 PGIA- und LTC2500-32-Signalkettenlösung
Bild 6.LTC2500 (32 Flat Passband Filter Noise unter verschiedenen Downsampling-Koeffizienten)
Tabelle 1. Digitaler PGIA
Tabelle 2. Instrumentenverstärker
Tabelle 3. Rauscharmer Operationsverstärker mit geringer Leistung
Abbildung 7.Diskretes PGIA-Blockdiagramm
Verwenden Sie einen Operationsverstärker, um einen diskreten PGIA aufzubauen
Der Artikel „Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Den besten Verstärker für Sie finden“ bespricht verschiedene integrierte PGIAs und bietet gute Richtlinien für den Aufbau diskreter PGIAs, die spezifische Anforderungen erfüllen2. Abbildung 7 zeigt ein Blockdiagramm des diskreten PGIA Schaltung.
Sie können ADG659/ADG658 mit geringer Kapazität und 5 V Stromversorgung wählen.
Für Operationsverstärker gilt IQ (Spannungsdichte).
Als Verstärkungswiderstand wählen Sie 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω Widerstand, um eine Verstärkung von 1/4/16/64 zu realisieren. Je größer der Widerstand, desto größer kann das Rauschen sein, und je kleiner der Widerstand, desto mehr Stromverbrauch ist erforderlich. Wenn andere Verstärkungskonfigurationen erforderlich sind, müssen die Widerstände sorgfältig ausgewählt werden, um die Verstärkungsgenauigkeit zu gewährleisten.
Der Differenzeingangs-ADC wirkt als Subtrahierer. Der CMRR des ADC ist größer als 100 dB, was die Systemanforderungen erfüllen kann.
Geräuschsimulation
Sie können LTspice verwenden? um die Rauschleistung eines diskreten PGIA zu simulieren. Die integrierte Rauschbandbreite beträgt 430 Hz. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Rauschsimulation von zwei verschiedenen PGIAs und AD7768-1. Die ADA4084-Lösung hat eine bessere Rauschleistung, insbesondere bei hohen Verstärkungen.
Tabelle 4. Ergebnisse der Geräuschsimulation
In-Loop-Kompensation Schaltung Antriebe LTC2500－32
AD7768-1 integriert einen Vorladeverstärker, um den Antriebsbedarf zu reduzieren. Für SAR-ADCs wie LTC2500-32 wird generell empfohlen, einen Hochgeschwindigkeitsverstärker als Treiber zu verwenden. Bei dieser DAQ-Anwendung ist der Bandbreitenbedarf sehr gering. Um den LTC2500-32 anzutreiben, wird die Verwendung einer In-Loop-Kompensation empfohlen Schaltung bestehend aus einem Präzisionsverstärker (ADA4084-2). Abbildung 8 zeigt den In-Loop-Kompensations-PGIA, der zum Antrieb des LTC2500-32 verwendet wird. Die PGIA weist folgende Merkmale auf:
· Zur Verbesserung der Stabilität der Kompensation werden die Schlüsselkomponenten R22/C14/R30/C5 und R27/C6/R31/C3 verwendet Schaltung in der Schleife.
· Bei Verwendung von ADG659, A1/A0 = 00, Verstärkung = 1, ist der Rückkopplungspfad des oberen Verstärkers der Verstärkerausgang? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP — IN.
· Bei Verwendung von ADG659, A1/A0 = 11, Gain = 64, ist der Rückkopplungspfad des oberen Verstärkers der Verstärkerausgang? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP — IN.
PGIA ist mit LTC2500-32EVB verbunden, um die Leistung zu überprüfen. Experimentieren Sie mit verschiedenen passiven Komponenten (R22/C14/R30/C5 und R27/C6/R31/C3) Werten, um bei unterschiedlichen Verstärkungen (1/4/16/64) eine bessere THD- und Rauschleistung zu erzielen. Die endgültigen Komponentenwerte sind: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Wenn die Verstärkung unter PGIA 1 beträgt, beträgt die gemessene 3-dB-Bandbreite etwa 16 kHz.
Abbildung 8. PGIA-Laufwerke LTC2500－32
Einstellungen zur Prüfstandsbewertung
Um die Leistung von Rauschen, THD und CMRR zu testen, werden separate ADA4084-2 PGIA und AD7768-1 Boards zu einer Komplettlösung gemacht. Diese Lösung ist mit dem Evaluierungsboard EVAL-AD7768-1 kompatibel und kann daher mit der Steuerplatine SDP-H1 verbunden werden. Daher können Sie die grafische Benutzeroberfläche der EVAL-AD7768FMCZ-Software zum Sammeln und Analysieren von Daten verwenden.
Die Boards ADA4084-2 PGIA und LTC2500-32 sind als alternative Komplettlösungen konzipiert.Schaltung TafelSchnittstelle mit SDP-H1-Steuerplatine und gesteuert über die Software-GUI LTC2500-32FMCZ.
Die PGIA-Verstärkung der beiden Karten ist auf 1/2/4/8/16 ausgelegt, was sich von der in Abbildung 8 gezeigten unterscheidet. Tabelle 5 zeigt die Bewertungsergebnisse dieser beiden Karten.
Abbildung 9. ADA4084-2 PGIA und AD7768-1 Evaluation Board-Lösung
Tabelle 5. Testergebnisse der Signalkettenlösung
Abbildung 10. FFT der ADA4084-2 PGIA- und LTC2500-32-Karten bei einer Verstärkung von 1
abschließend
Für Seismologie- und Energieexplorationsanwendungen kann ein diskreter PGIA mit einem rauscharmen Präzisionsverstärker mit niedrigem THD zum Ansteuern eines hochauflösenden Präzisions-ADC entwickelt werden, um eine sehr rauscharme und stromsparende Datenerfassungslösung zu entwickeln. Diese Lösung kann Rauschen, THD und ODR je nach Leistungsbedarf flexibel ausgleichen.
· Die rauscharme Leistung des LTC2500-32 kombiniert mit den Vorteilen von ADA4084-2 und LTC2500-32 macht die Lösung zu der besten Rauschleistung, ohne dass eine weitere Filterung durch die MCU erforderlich ist.
· Bei PGIA-Verstärkung = 1 haben ADA4522-2 und ADA4084-2 eine gute Rauschleistung. Die Rauschleistung beträgt etwa 0.8 &mgr;V rms.
· ADA4084-2 hat eine bessere Rauschleistung bei hoher Verstärkung. Bei Verstärkung = 16 beträgt das Rauschen von ADA4084-2 und LTC2500-32 0.19 μV rms, was besser ist als die 4522 μV rms des ADA2-0.25.
· Für AD7768-1 zeigen die Lösungen ADA4084-2 und AD7768-1 mit Hilfe der MCU-Filterung ein ähnliches Rauschverhalten wie die Lösungen ADA4084-2 und LTC2500-32.
Die in diesem Artikel vorgestellte Datenerfassungslösung erfordert geringes Rauschen und geringen Stromverbrauch, aber die Bandbreite ist begrenzt. Andere Datenerfassungsanwendungen haben andere Leistungsanforderungen. Wenn kein geringer Stromverbrauch erforderlich ist, können die folgenden Operationsverstärker zum Aufbau von PGIA verwendet werden:
· Geringstes Rauschen: LT1124 und LT1128 können in Betracht gezogen werden, um die beste Rauschleistung zu erzielen.
· Geringste Drift: Der neue Zero-Drift-Verstärker ADA4523 hat bessere Rauscheigenschaften als ADA4522-2 und LTC2500-32.
· Minimaler Vorspannungsstrom: Wenn der Ausgangswiderstand des Sensors hoch ist, wird empfohlen, ADA4625-1 zu verwenden.
· Höhere Bandbreite: ADA4807, LTC6226 und LTC6228 sind gute Lösungen für den Aufbau von PGIA mit hoher Bandbreite und geringem Rauschen in DAQ-Anwendungen mit hoher Bandbreite.
In DAQ-Anwendungen, bei denen Rauschen und Stromverbrauch keine Rolle spielen, aber eine kleinere Leiterplattenfläche und eine hohe Integration erfordern, sind die neuen integrierten PGIA ADA4254 und LTC6373 von ADI ebenfalls eine gute Wahl. Der ADA4254 ist ein driftfreier, hocheffizienterSpannung, robustes PGIA mit einer Verstärkung von 1/16 bis ~176, während der LTC6373 ein 25 pA IBIAS, 36 V, 0.25 bis ~16 Verstärkung, PGIA mit niedrigem THD ist.
Tabelle 6. Auswahltabelle für Präzisions-Operationsverstärker
Referenz
1 Geophon. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang und Erbe D. Reyta. „Die Grundlagen seismischer Signalerkennungsnetzwerke verstehen“. Analog Dialogue, Band 53, Ausgabe 4, Dezember 2019.
3 Kristina Fortunado. „Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Finden Sie den besten Verstärker für Sie.“ Analog Dialogue, Band 52, Ausgabe 4, Dezember 2018.
Über den Autor
David Guo ist Produktanwendungsingenieur in der Linear Products Division von Analog Devices. Er trat 2007 als Anwendungsingenieur in das China Application Center von ADI ein und wechselte dann im Juni 2011 als Anwendungsingenieur in die Abteilung für Präzisionsverstärker. Seit Januar 2013 ist David als Anwendungsingenieur in der Linear Products Division von Analog Devices tätig. Er ist verantwortlich für den technischen Support von Präzisionsverstärkern, Instrumentenverstärkern, Hochgeschwindigkeitsverstärkern, Strommessverstärkern, Multiplizierern, Referenzspannungsquellen und RMS-DC-Produkten. David verfügt über einen Bachelor- und einen Master-Abschluss in Maschinenbau und Elektrotechnik vom Beijing Institute of Technologie. Kontakt: David. guo@analog. com.
Steven Xie kam im März 2011 als Produktanwendungsingenieur im ADI China Design Center zur ADI Niederlassung in Peking. Er ist verantwortlich für den technischen Support von SAR ADC Produkten auf dem chinesischen Markt. Davor arbeitete er vier Jahre als Hardware-Designer im Bereich Mobilfunk-Basisstationen. 2007 schloss Steven seinen Master in Kommunikations- und Informationssystemen an der Beijing University of Aeronautics and Astronautics ab.