Auteur : ADI David Guo, ingénieur d'application produit, Steven Xie, ingénieur d'application produit
Les systèmes d'acquisition de données de précision (DAQ) sont très populaires dans les applications industrielles. Certaines applications DAQ nécessitent une faible consommation d'énergie et un bruit ultra-faible. Un exemple est l'application de capteurs sismiques. Une grande quantité d'informations peut être extraite des données sismiques. Ces informations peuvent être utilisées dans un large éventail d'applications, telles que la surveillance de la santé structurelle, la recherche géophysique, l'exploration pétrolière et même la sécurité industrielle et domestique.
Exigences de la chaîne de signaux DAQ
Les géophones sont des dispositifs de conversion électromécanique qui convertissent les signaux de vibration du sol en signaux électriques et conviennent à l'exploration sismique à haute résolution. Ils sont implantés au sol le long du réseau pour mesurer le temps nécessaire aux ondes sismiques pour rebondir sur une surface discontinue (comme un plan), comme le montre la figure 1.
figure 1.Source sismique et réseau de géophones
Pour capturer le petit signal de sortie du géophone, une chaîne de signaux DAQ à haute sensibilité doit être construite pour l'analyse des données. Le bruit rms total doit être de 1.0 μV rms, la plage de bande passante passe-bas plate limitée est d'environ 300 Hz à 400 Hz et la chaîne de signal doit atteindre un DHT d'environ -120 dB. Étant donné que l'instrument sismique est alimenté par une batterie, la consommation d'énergie doit être contrôlée à environ 30 mW.
Cet article présente deux solutions de chaîne de signaux, les objectifs et les exigences atteints sont les suivants :
· Gain PGIA : 1, 2, 4, 8, 16
· CAN avec filtre large bande programmable intégré
· Lorsque le gain = 1 (la bande passante à -3 dB est de 300 Hz à environ 400 Hz), le bruit RTI est de 1.0 V rms
· THD : -120 dB (lorsque gain = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (lorsque gain = 1)
· Consommation électrique (PGIA plus ADC) : 33 mW
· Le deuxième canal est utilisé pour l'autotest
Solution de chaîne de signal DAQ
Il n'y a pas d'ADC de précision sur le site Web d'ADI qui possède toutes ces fonctionnalités et qui puisse atteindre un bruit et un THD aussi faibles, et aucun PGIA ne peut fournir un bruit et une consommation d'énergie aussi faibles. Cependant, ADI fournit d'excellents amplificateurs de précision et CAN de précision qui peuvent être utilisés pour créer des chaînes de signaux afin d'atteindre les objectifs.
Afin de construire un PGIA à faible bruit, faible distorsion et faible consommation d'énergie, l'amplificateur à très faible bruit ADA4084-2 ou l'amplificateur à dérive zéro ADA4522-2 sont de bons choix.
Concernant les CAN de très haute précision, le -Δ ADC AD24-7768 1 bits ou le SAR ADC LTC32-2500 32 bits sont les meilleurs choix. Ils fournissent un ODR configurable et intègrent des filtres FIR passe-bas plats, adaptés à différentes applications DAQ.
Solutions de chaîne de signaux sismiques : ADA4084-2 PGIA et AD7768-1
La figure 2 montre l'ensemble de la chaîne de signaux. ADA4084-2, ADG658 et 0.1 %résistanceUn PGIA à faible bruit et à faible THD peut être construit, offrant jusqu'à huit options de gain différentes. AD7768-1 est une plate-forme THD à canal unique, à faible consommation d'énergie et de -120 dB. Il dispose d'un filtre numérique FIR, DC à 110. 8 kHz programmable à faible ondulation et utilise le LT6657 comme référence Tension la source.
figure 2. ADA4084-2 PGIA et AD7768-1 plusMCUSolution de chaîne de signal filtrée
Lorsque l'AD7768-1 fonctionne avec un ODR de 1 kSPS, le bruit quadratique moyen est de 1.76 μV rms ; en mode basse consommation, la consommation électrique est de 10 mW. Afin d'obtenir le bruit final de 1.0 μV rms, il peut fonctionner à un ODR plus élevé, tel que 16 kSPS en mode vitesse moyenne. Lorsque l'AD7768-1 fonctionne à une fréquence de modulateur plus élevée, il a un bruit de fond plus faible (comme illustré à la Figure 3) et une consommation d'énergie plus élevée. L'algorithme de filtre FIR passe-bas plat peut être implémenté dans le logiciel MCU pour éliminer le bruit de bande passante plus élevé et réduire l'ODR final à 1 kSPS. Le bruit quadratique moyen final sera d'environ un quart de 3.55 μV, ou 0.9 μV.
image 3.Utilisez le post-filtre MCU pour équilibrer l'ODR de l'AD7768-1 afin d'atteindre les performances de bruit cible
À titre d'exemple, le filtre FIR du logiciel MCU peut être construit comme illustré à la figure 4 pour équilibrer les performances et le retard de groupe.
Solutions de chaîne de signaux sismiques : ADA4084-2 PGIA et LTC2500-32
Le LTC2500-32 d'ADI est un CAN SAR 32 bits à faible bruit, faible consommation et hautes performances avec filtre numérique configurable intégré. Le faible bruit et la faible sortie INL du filtre numérique 32 bits le rendent particulièrement adapté aux applications de sismologie et d'exploration énergétique.
Les sources à haute impédance doivent être tamponnées pour minimiser le temps de stabilisation pendant l'acquisition et optimiser la linéarité de la commutation. condensateur entrée SAR ADC. Afin d'obtenir les meilleures performances, un amplificateur tampon doit être utilisé pour piloter l'entrée analogique du LTC2500-32. Doit concevoir une PGIA discrèteCircuitPour piloter le LTC2500-32 pour obtenir un faible bruit et un faible THD (introduit dans la partie PGIA).
Mise en œuvre du PGIA
Les principales spécifications du PGIA circuit consistent à
· Alimentation : 5 V (minimum)
· AD7768-1 a une consommation électrique de 19.7 mW, donc la consommation électrique du PGIA circuit doit être inférieure à 13 mW, afin d'atteindre l'objectif de consommation d'énergie de 3 mW
· Bruit : lorsque gain = 1, le bruit est de 0 µV rms, soit environ 178/1 de AD10-7768. 1 V rms
Il existe trois types de topologies PGIA :
· PGIA intégré
· PGIA discret avec amplificateur d'instrumentation intégré
· PGIA discret avec amplificateur opérationnel
Le tableau 1 répertorie les PGIA numériques d'ADI. Le LTC6915 a le QI le plus bas. La densité de bruit est de 50 nV/√Hz et le bruit intégré dans la bande passante de 430 Hz est de 1.036 μV rms, ce qui dépasse la valeur cible de 0.178 μV rms. Par conséquent, intégrer la PGIA n’est pas un bon choix.
Le tableau 2 répertorie plusieurs amplificateurs d'instrumentation, y compris l'AD8422 avec 300 μA IQ. Son bruit intégré dans la bande passante 430 Hz est de 1.645 µV rms, ce n'est donc pas non plus un bon choix.
Figure 4. Étage de filtre MCU post FIR
Figure 5. Solution de chaîne de signaux ADA4084-2 PGIA et LTC2500-32
Image 6.LTC2500－32 Bruit de filtre passe-bande plat sous différents coefficients de sous-échantillonnage
Tableau 1. PGIA numérique
Tableau 2.Amplificateur d'instrumentation
tableau 3. Amplificateur opérationnel à faible bruit et faible puissance
Figure 7.Schéma fonctionnel PGIA discret
Utilisez un amplificateur opérationnel pour construire un PGIA discret
L'article « Amplificateur d'instrumentation à gain programmable : trouver le meilleur amplificateur pour vous » traite de divers PGIA intégrés et fournit de bonnes directives pour la construction de PGIA discrets qui répondent à des exigences spécifiques2. La figure 7 montre un schéma fonctionnel du PGIA discret circuit.
Vous pouvez choisir ADG659/ADG658 avec une faible capacité et une alimentation 5 V.
Pour les amplificateurs opérationnels, IQ (densité de tension
En ce qui concerne la résistance de gain, choisissez une résistance de 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω pour obtenir un gain de 1/4/16/64. Plus la résistance est grande, le bruit peut augmenter, et plus la résistance est petite, plus la consommation d'énergie est élevée. Si d'autres configurations de gain sont requises, les résistances doivent être soigneusement sélectionnées pour garantir la précision du gain.
L'ADC d'entrée différentielle agit comme un soustracteur. Le CMRR de l'ADC est supérieur à 100 dB, ce qui peut répondre aux exigences du système.
Simulation de bruit
Pouvez-vous utiliser LTspice ? pour simuler les performances sonores d'un PGIA discret. La bande passante de bruit intégrée est de 430 Hz. Le tableau 4 montre les résultats de simulation du bruit de deux PGIA différents et de l'AD7768-1. La solution ADA4084 offre de meilleures performances en matière de bruit, notamment à des gains élevés.
Tableau 4.Résultats de la simulation de bruit
Compensation en boucle circuit lecteurs LTC2500－32
L'AD7768-1 intègre un amplificateur de précharge pour réduire les exigences d'entraînement. Pour les ADC SAR, tels que le LTC2500-32, il est généralement recommandé d'utiliser un amplificateur haute vitesse comme pilote. Dans cette application DAQ, les besoins en bande passante sont très faibles. Afin de piloter le LTC2500-32, il est recommandé d'utiliser une compensation en boucle circuit composé d'un amplificateur de précision (ADA4084-2). La figure 8 montre le PGIA de compensation en boucle utilisé pour piloter le LTC2500-32. Le PGIA a les caractéristiques suivantes :
· Les composants clés de R22/C14/R30/C5 et R27/C6/R31/C3 sont utilisés pour améliorer la stabilité de la compensation circuit dans la boucle.
· En utilisant ADG659, A1/A0 = 00, gain = 1, le chemin de retour de l'amplificateur supérieur est-il la sortie de l'amplificateur ? R22 ? R30 ? S1A ? AD ? R6 ? AMP - IN.
· En utilisant ADG659, A1/A0 = 11, gain = 64, le chemin de retour de l'amplificateur supérieur est-il la sortie de l'amplificateur ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? AD ? R6 ? AMP - IN.
PGIA est connecté au LTC2500-32EVB pour vérifier les performances. Expérimentez avec différentes valeurs de composants passifs (R22/C14/R30/C5 et R27/C6/R31/C3) pour obtenir de meilleures performances THD et bruit sous différents gains (1/4/16/64). Les valeurs finales des composants sont : R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Lorsque le gain inférieur au PGIA est de 1, la bande passante mesurée à 3 dB est d'environ 16 kHz.
Figure 8. Lecteurs PGIA LTC2500－32
Paramètres d'évaluation du banc d'essai
Afin de tester les performances du bruit, du THD et du CMRR, des cartes séparées ADA4084-2 PGIA et AD7768-1 sont transformées en une solution complète. Cette solution est compatible avec la carte d'évaluation EVAL-AD7768-1, elle peut donc s'interfacer avec la carte de contrôle SDP-H1. Par conséquent, vous pouvez utiliser l'interface graphique du logiciel EVAL-AD7768FMCZ pour collecter et analyser les données.
Les cartes ADA4084-2 PGIA et LTC2500-32 sont conçues comme des solutions complètes alternatives.circuit plancheInterface avec la carte de commande SDP-H1 et contrôlée par l'interface graphique du logiciel LTC2500-32FMCZ.
Le gain PGIA des deux cartes est conçu pour être 1/2/4/8/16, ce qui est différent de celui illustré à la figure 8. Le tableau 5 montre les résultats d'évaluation de ces deux cartes.
Figure 9. Solution de carte d'évaluation ADA4084-2 PGIA et AD7768-1
tableau 5.Résultats des tests de solution de chaîne de signal
Figure 10. FFT des cartes ADA4084-2 PGIA et LTC2500-32 lorsque le gain est de 1
en conclusion
Pour les applications de sismologie et d'exploration énergétique, afin de concevoir une solution DAQ à très faible bruit et faible consommation, un PGIA discret peut être conçu avec un amplificateur de précision à faible bruit et faible THD pour piloter un CAN de précision haute résolution. Cette solution peut équilibrer de manière flexible le bruit, le THD et l'ODR en fonction des exigences de puissance.
· Les performances à faible bruit du LTC2500-32 combinées aux avantages de l'ADA4084-2 et du LTC2500-32 permettent à la solution d'afficher les meilleures performances de bruit sans avoir besoin d'un filtrage supplémentaire par le MCU.
· Lorsque le gain PGIA = 1, ADA4522-2 et ADA4084-2 ont de bonnes performances de bruit. Les performances de bruit sont d'environ 0.8 µV rms.
· ADA4084-2 a de meilleures performances de bruit à gain élevé. Lorsque gain = 16, le bruit de l'ADA4084-2 et du LTC2500-32 est de 0.19 V rms, ce qui est meilleur que le 4522 V rms de l'ADA2-0.25.
· Pour AD7768-1, avec l'aide du filtrage MCU, les solutions ADA4084-2 et AD7768-1 présentent des performances de bruit similaires à celles des solutions ADA4084-2 et LTC2500-32.
La solution d'acquisition de données présentée dans cet article nécessite un faible bruit et une faible consommation d'énergie, mais la bande passante est limitée. D'autres applications DAQ ont des exigences de performances différentes. Si une faible consommation d'énergie n'est pas nécessaire, les amplificateurs opérationnels suivants peuvent être utilisés pour construire le PGIA :
· Bruit le plus bas : LT1124 et LT1128 peuvent être considérés pour obtenir les meilleures performances sonores.
· Dérive la plus faible : le nouvel amplificateur à dérive zéro ADA4523 a de meilleures caractéristiques de bruit que ADA4522-2 et LTC2500-32.
· Courant de polarisation minimum : Si la résistance de sortie du capteur est élevée, il est recommandé d'utiliser l'ADA4625-1.
· Bande passante plus élevée : ADA4807, LTC6226 et LTC6228 sont de bonnes solutions lors de la création de PGIA à bande passante élevée et à faible bruit dans les applications DAQ à bande passante élevée.
Dans les applications DAQ où le bruit et la consommation d'énergie ne sont pas importants, mais nécessitent une surface de circuit imprimé plus petite et une intégration élevée, les nouveaux PGIA ADA4254 et LTC6373 intégrés d'ADI sont également de bons choix. L'ADA4254 est un modèle à dérive zéro et à hauteTension, PGIA robuste avec un gain de 1/16 à ~176, tandis que le LTC6373 est un 25 pA IBIAS, 36 V, gain de 0.25 à ~16, faible THD PGIA.
Tableau 6. Tableau de sélection de l'amplificateur opérationnel de précision
Référence
1 Géophone. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang et Erbe D. Reyta. « Comprendre les bases des réseaux de détection de signaux sismiques ». Dialogue analogique, volume 53, numéro 4, décembre 2019.
3 Kristina Fortunado. "Amplificateur d'instrumentation à gain programmable : trouvez le meilleur amplificateur pour vous." Dialogue analogique, volume 52, numéro 4, décembre 2018.
À propos de l’auteur
David Guo est ingénieur d'applications produits au sein de la division Produits linéaires d'Analog Devices. Il a rejoint le centre d'applications chinois d'ADI en 2007 en tant qu'ingénieur d'application, puis a été transféré au département des amplificateurs de précision en tant qu'ingénieur d'application en juin 2011. Depuis janvier 2013, David occupe le poste d'ingénieur d'application dans la division des produits linéaires d'Analog Devices. Il est responsable du support technique des amplificateurs de précision, des amplificateurs d'instrumentation, des amplificateurs à grande vitesse, des amplificateurs de détection de courant, des multiplicateurs, des sources de tension de référence et des produits RMS-DC. David est titulaire d'un baccalauréat et d'une maîtrise en génie mécanique et électrique de l'Institut de Pékin. Technologie. Contact : David. guo@analogique. com.
Steven Xie a rejoint la succursale d'ADI à Pékin en mars 2011 en tant qu'ingénieur d'application de produits au centre de conception d'ADI China. Il est responsable du support technique des produits SAR ADC sur le marché chinois. Avant cela, il a travaillé pendant quatre ans comme concepteur de matériel dans le domaine des stations de base de communication sans fil. En 2007, Steven est diplômé de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin avec une maîtrise en communications et systèmes d'information.