Autor: ADI David Guo, ingeniero de aplicación de producto, Steven Xie, ingeniero de aplicación de producto
Los sistemas de adquisición de datos de precisión (DAQ) son muy populares en aplicaciones industriales. Algunas aplicaciones DAQ requieren un bajo consumo de energía y un nivel de ruido ultrabajo. Un ejemplo es la aplicación de sensores sísmicos. Se puede extraer una gran cantidad de información de los datos sísmicos. Esta información se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, como monitoreo de salud estructural, investigación geofísica, exploración de petróleo e incluso seguridad industrial y doméstica.
Requisitos de la cadena de señal DAQ
Los geófonos son dispositivos de conversión electromecánica que convierten las señales de vibración del suelo en señales eléctricas y son adecuados para la exploración sísmica de alta resolución. Se implantan en el suelo a lo largo de la matriz para medir el tiempo que tardan las ondas sísmicas en rebotar en una superficie discontinua (como un plano), como se muestra en la Figura 1.
figura 1: fuente sísmica y conjunto de geófonos
Para capturar la pequeña señal de salida del geófono, se debe construir una cadena de señal DAQ de alta sensibilidad para el análisis de datos. El ruido rms total debe ser de 1.0 μV rms, el rango de ancho de banda de paso bajo plano limitado es de aproximadamente 300 Hz a 400 Hz, y la cadena de señal debe alcanzar una distorsión armónica total de aproximadamente -120 dB. Dado que el instrumento sísmico funciona con una batería, el consumo de energía debe controlarse en aproximadamente 30 mW.
Este artículo presenta dos soluciones de cadena de señales, los objetivos y requisitos logrados son los siguientes:
· Ganancia PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC con filtro de banda ancha programable integrado
· Cuando la ganancia = 1 (el ancho de banda de -3 dB es de 300 Hz a aproximadamente 400 Hz), el ruido RTI es de 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (cuando ganancia = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (cuando ganancia = 1)
· Consumo de energía (PGIA más ADC): 33 mW
· El segundo canal se utiliza para la autocomprobación.
Solución de cadena de señal DAQ
No hay un ADC de precisión en el sitio web de ADI que tenga todas estas características y pueda lograr un nivel de ruido y THD tan bajo, y ningún PGIA puede proporcionar un consumo de energía y ruido tan bajo. Sin embargo, ADI proporciona excelentes amplificadores de precisión y ADC de precisión que se pueden usar para construir cadenas de señales para lograr los objetivos.
Para construir PGIA de bajo ruido, baja distorsión y bajo consumo de energía, ADA4084-2 de ruido ultra bajo o el amplificador de deriva cero ADA4522-2 son buenas opciones.
Con respecto a los ADC de muy alta precisión, el ADC Σ-Δ ADC AD24-7768 de 1 bits o el ADC SAR LTC32-2500 de 32 bits son las mejores opciones. Proporcionan ODR configurable e integran filtros FIR de paso bajo planos, adecuados para diferentes aplicaciones DAQ.
Soluciones de cadena de señales sísmicas: ADA4084-2 PGIA y AD7768-1
La figura 2 muestra toda la cadena de señales. ADA4084-2, ADG658 y 0.1%resistenciaSe puede construir PGIA de bajo ruido y baja THD, proporcionando hasta ocho opciones de ganancia diferentes. AD7768-1 es una plataforma de un solo canal, bajo consumo de energía, -120 dB THD. Tiene un FIR programable de baja ondulación, CC a 110. Filtro digital de 8 kHz y utiliza LT6657 como referencia. voltaje .
figura 2. ADA4084-2 PGIA y AD7768-1 plusMCUSolución de cadena de señal filtrada
Cuando AD7768-1 se ejecuta con ODR de 1 kSPS, el ruido cuadrático medio es 1.76 μV rms; en el modo de bajo consumo de energía, el consumo de energía es de 10 mW. Para lograr el ruido rms final de 1.0 μV, puede operar a un ODR más alto, como 16 kSPS en modo de velocidad media. Cuando AD7768-1 se ejecuta a una frecuencia de modulador más alta, tiene un piso de ruido más bajo (como se muestra en la Figura 3) y un mayor consumo de energía. El algoritmo de filtro FIR de paso bajo plano se puede implementar en el software MCU para eliminar un mayor ruido de ancho de banda y reducir el ODR final a 1 kSPS. El ruido cuadrático medio final será aproximadamente un cuarto de 3.55 μV o 0.9 μV.
imagen 3.Utilice el post-filtro MCU para equilibrar el ODR de AD7768-1 para lograr el rendimiento de ruido objetivo
Como ejemplo, el filtro FIR del software MCU se puede construir como se muestra en la Figura 4 para equilibrar el rendimiento y el retardo de grupo.
Soluciones de cadena de señales sísmicas: ADA4084-2 PGIA y LTC2500-32
El LTC2500-32 de ADI es un ADC SAR de 32 bits de bajo ruido, baja potencia y alto rendimiento con filtro digital configurable integrado. El bajo nivel de ruido y la baja salida INL del filtro digital de 32 bits lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones de exploración de energía y sismología.
Las fuentes de alta impedancia deben amortiguarse para minimizar el tiempo de estabilización durante la adquisición y optimizar la linealidad de la señal conmutada. condensador entrada SAR ADC. Para obtener el mejor rendimiento, se debe utilizar un amplificador buffer para controlar la entrada analógica del LTC2500-32. Debe diseñar una PGIA discretaCircuitoPara impulsar LTC2500-32 para lograr un bajo nivel de ruido y baja THD (introducido en la parte PGIA).
Implementación PGIA
Las principales especificaciones del PGIA circuito incluyen:
· Fuente de alimentación: 5 V (mínimo)
· AD7768-1 tiene un consumo de energía de 19.7 mW, por lo que el consumo de energía del PGIA circuito debe ser inferior a 13 mW, para cumplir con el objetivo de consumo de energía de 3 mW
· Ruido: cuando ganancia = 1, el ruido es 0. 178 μV rms, que es aproximadamente 1/10 de AD7768-1. 78 μV rms
Hay tres tipos de topologías PGIA:
· PGIA integrado
· PGIA discreta con amplificador de instrumentación integrado
· PGIA discreta con amplificador operacional
La Tabla 1 enumera el PGIA digital de ADI. El LTC6915 tiene el coeficiente intelectual más bajo. La densidad de ruido es 50 nV / √Hz, y el ruido integrado en el ancho de banda de 430 Hz es 1.036 μV rms, que excede el valor objetivo de 0.178 μV rms. Por lo tanto, integrar PGIA no es una buena opción.
La Tabla 2 enumera varios amplificadores de instrumentación, incluido el AD8422 con 300μA IQ. Su ruido integrado en el ancho de banda de 430 Hz es de 1.645 μV rms, por lo que tampoco es una buena opción.
Figura 4. Etapa de filtro FIR posterior a MCU
Figura 5. Solución de cadena de señal ADA4084-2 PGIA y LTC2500-32
Imagen 6: ruido del filtro de banda de paso plana LTC2500－32 bajo diferentes coeficientes de reducción de muestreo
Tabla 1. PGIA digital
Tabla 2 Amplificador de instrumentación
Tabla 3.Amplificador operacional de bajo ruido y baja potencia.
Figura 7 Diagrama de bloques de PGIA discreto
Utilice un amplificador operacional para construir un PGIA discreto
El artículo "Amplificador de instrumentación de ganancia programable: encontrar el mejor amplificador para usted" analiza varios PGIA integrados y proporciona buenas pautas para construir PGIA discretos que cumplan con requisitos específicos2. La Figura 7 muestra un diagrama de bloques del PGIA discreto circuito.
Puede elegir ADG659 / ADG658 con baja capacitancia y fuente de alimentación de 5 V.
Para amplificadores operacionales, IQ (densidad de voltaje
En cuanto a la resistencia de ganancia, elija una resistencia de 1.2 kΩ / 300Ω / 75Ω / 25Ω para obtener una ganancia de 1/4/16/64. Cuanto mayor sea la resistencia, el ruido puede aumentar y cuanto menor sea la resistencia, mayor consumo de energía se requiere. Si se requieren otras configuraciones de ganancia, las resistencias deben seleccionarse cuidadosamente para garantizar la precisión de la ganancia.
El ADC de entrada diferencial actúa como un restador. El CMRR del ADC es superior a 100 dB, lo que puede cumplir con los requisitos del sistema.
Simulación de ruido
¿Puedes usar LTspice? para simular el rendimiento de ruido de un PGIA discreto. El ancho de banda de ruido integrado es de 430 Hz. La Tabla 4 muestra los resultados de la simulación de ruido de dos PGIA diferentes y AD7768-1. La solución ADA4084 tiene un mejor rendimiento de ruido, especialmente con ganancias altas.
Tabla 4 Resultados de la simulación de ruido
Compensación en bucle circuito unidades LTC2500－32
AD7768-1 integra un amplificador de precarga para reducir los requisitos de la unidad. Para ADC SAR, como LTC2500-32, generalmente se recomienda utilizar un amplificador de alta velocidad como controlador. En esta aplicación DAQ, el requisito de ancho de banda es muy bajo. Para controlar el LTC2500-32, se recomienda utilizar una compensación en bucle circuito compuesto por un amplificador de precisión (ADA4084-2). La Figura 8 muestra el PGIA de compensación en bucle que se utiliza para controlar el LTC2500-32. El PGIA tiene las siguientes características:
· Los componentes clave de R22/C14/R30/C5 y R27/C6/R31/C3 se utilizan para mejorar la estabilidad de la compensación circuito en el lazo.
· Usando ADG659, A1 / A0 = 00, ganancia = 1, ¿la ruta de retroalimentación del amplificador superior es la salida del amplificador? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP - IN.
· Usando ADG659, A1 / A0 = 11, ganancia = 64, ¿la ruta de retroalimentación del amplificador superior es la salida del amplificador? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP - IN.
PGIA está conectado a LTC2500-32EVB para verificar el rendimiento. Experimente con diferentes valores de componentes pasivos (R22 / C14 / R30 / C5 y R27 / C6 / R31 / C3) para lograr un mejor rendimiento de THD y ruido con diferentes ganancias (1/4/16/64). Los valores finales de los componentes son: R22 / R27 = 100 Ω, C14 / C6 = 1 nF, R30 / R31 = 1.2 kΩ, C3 / C5 = 0.22? F. Cuando la ganancia por debajo de PGIA es 1, el ancho de banda de 3 dB medido es de aproximadamente 16 kHz.
Figura 8. Controladores PGIA LTC2500－32
Configuración de evaluación del banco de pruebas
Para probar el rendimiento del ruido, THD y CMRR, las placas ADA4084-2 PGIA y AD7768-1 separadas se convierten en una solución completa. Esta solución es compatible con la placa de evaluación EVAL-AD7768-1, por lo que puede interactuar con la placa de control SDP-H1. Por lo tanto, puede utilizar la GUI del software EVAL-AD7768FMCZ para recopilar y analizar datos.
Las placas ADA4084-2 PGIA y LTC2500-32 están diseñadas como soluciones completas alternativas.circuito tableroInterfaz con la placa de control SDP-H1 y controlada por la GUI del software LTC2500-32FMCZ.
La ganancia PGIA de las dos placas está diseñada para ser 1/2/4/8/16, que es diferente de la que se muestra en la Figura 8. La Tabla 5 muestra los resultados de la evaluación de estas dos placas.
Figura 9. Solución de placa de evaluación ADA4084-2 PGIA y AD7768-1
Tabla 5.Resultados de la prueba de la solución de la cadena de señales
Figura 10. FFT de las placas ADA4084-2 PGIA y LTC2500-32 cuando la ganancia es 1
En conclusión
Para aplicaciones de sismología y exploración de energía, para diseñar una solución DAQ de muy bajo ruido y baja potencia, se puede diseñar un PGIA discreto con un amplificador de precisión de bajo ruido y baja THD para impulsar un ADC de precisión de alta resolución. Esta solución puede equilibrar de forma flexible el ruido, THD y ODR de acuerdo con los requisitos de energía.
· El rendimiento de bajo ruido de LTC2500-32 combinado con las ventajas de ADA4084-2 y LTC2500-32 hace que la solución presente el mejor rendimiento de ruido sin la necesidad de un filtrado adicional por parte de la MCU.
· Cuando la ganancia de PGIA = 1, ADA4522-2 y ADA4084-2 tienen un buen rendimiento de ruido. El rendimiento de ruido es de aproximadamente 0.8 V rms.
· ADA4084-2 tiene un mejor rendimiento de ruido a alta ganancia. Cuando ganancia = 16, el ruido de ADA4084-2 y LTC2500-32 es de 0.19 μV rms, que es mejor que los 4522 μV rms de ADA2-0.25.
· Para AD7768-1, con la ayuda del filtrado MCU, las soluciones ADA4084-2 y AD7768-1 muestran un rendimiento de ruido similar al de las soluciones ADA4084-2 y LTC2500-32.
La solución de adquisición de datos presentada en este artículo requiere poco ruido y bajo consumo de energía, pero el ancho de banda es limitado. Otras aplicaciones DAQ tienen diferentes requisitos de rendimiento. Si no es necesario un bajo consumo de energía, se pueden usar los siguientes amplificadores operacionales para construir PGIA:
· Mínimo ruido: se puede considerar que LT1124 y LT1128 obtienen el mejor rendimiento de ruido.
· Deriva más baja: el nuevo amplificador de deriva cero ADA4523 tiene mejores características de ruido que ADA4522-2 y LTC2500-32.
· Corriente de polarización mínima: si la resistencia de salida del sensor es alta, se recomienda utilizar ADA4625-1.
· Mayor ancho de banda: ADA4807, LTC6226 y LTC6228 son buenas soluciones para crear PGIA de alto ancho de banda y bajo ruido en aplicaciones DAQ de alto ancho de banda.
En las aplicaciones DAQ donde el ruido y el consumo de energía no son importantes, pero requieren un área de PCB más pequeña y una alta integración, los nuevos PGIA ADA4254 y LTC6373 integrados de ADI también son buenas opciones. El ADA4254 es un desvío cero, altovoltaje, PGIA robusto con una ganancia de 1/16 a ~176, mientras que el LTC6373 es un IBIAS de 25 pA, 36 V, 0.25 a ~16 de ganancia, THD PGIA bajo.
Tabla 6 Tabla de selección de amplificador operacional de precisión
Referencia
1 geófono. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang y Erbe D. Reyta. “Comprender los conceptos básicos de las redes de detección de señales sísmicas”. Diálogo analógico, volumen 53, número 4, diciembre de 2019.
3 Kristina Fortunado. "Amplificador de instrumentación de ganancia programable: encuentre el mejor amplificador para usted". Diálogo analógico, volumen 52, número 4, diciembre de 2018.
Sobre la autora
David Guo es ingeniero de aplicaciones de productos en la División de Productos Lineales de Analog Devices. Se unió al Centro de Aplicaciones de ADI en China en 2007 como ingeniero de aplicaciones y luego fue transferido al departamento de amplificadores de precisión como ingeniero de aplicaciones en junio de 2011. Desde enero de 2013, David se ha desempeñado como ingeniero de aplicaciones en la División de Productos Lineales de Dispositivos Analógicos. Es responsable del soporte técnico de amplificadores de precisión, amplificadores de instrumentación, amplificadores de alta velocidad, amplificadores de detección de corriente, multiplicadores, fuentes de voltaje de referencia y productos RMS-DC. David tiene una licenciatura y una maestría en ingeniería mecánica y eléctrica del Instituto de Beijing de Tecnología. Contacto: david. guo@analógico. com.
Steven Xie se incorporó a la sucursal de ADI en Beijing en marzo de 2011 como ingeniero de aplicaciones de productos en el Centro de Diseño de ADI China. Es responsable del soporte técnico de los productos SAR ADC en el mercado chino. Antes de eso, trabajó como diseñador de hardware en el campo de las estaciones base de comunicación inalámbrica durante cuatro años. En 2007, Steven se graduó de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing con una maestría en comunicaciones y sistemas de información.