Penulis: ADI David Guo, Insinyur Aplikasi Produk, Steven Xie, Insinyur Aplikasi Produk
Sistem akuisisi data presisi (DAQ) sangat populer dalam aplikasi industri. Beberapa aplikasi DAQ memerlukan konsumsi daya yang rendah dan kebisingan yang sangat rendah. Contohnya adalah aplikasi sensor seismik. Sejumlah besar informasi dapat diekstraksi dari data seismik. Informasi ini dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pemantauan kesehatan struktural, penelitian geofisika, eksplorasi minyak bumi, dan bahkan keamanan industri dan rumah tangga.
Persyaratan rantai sinyal DAQ
Geophone adalah perangkat konversi elektromekanis yang mengubah sinyal getaran tanah menjadi sinyal listrik, dan cocok untuk eksplorasi seismik resolusi tinggi. Mereka ditanamkan di tanah di sepanjang susunan untuk mengukur waktu yang dibutuhkan gelombang seismik untuk memantul dari permukaan yang tidak kontinu (seperti pesawat), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
gambar 1.Sumber seismik dan susunan geofon
Untuk menangkap sinyal keluaran kecil dari geophone, rantai sinyal DAQ sensitivitas tinggi harus dibangun untuk analisis data. Total noise rms harus 1.0 V rms, rentang bandwidth low-pass datar terbatas sekitar 300 Hz hingga 400 Hz, dan rantai sinyal harus mencapai THD sekitar -120 dB. Karena instrumen seismik ditenagai oleh baterai, konsumsi daya harus dikontrol sekitar 30 mW.
Artikel ini memperkenalkan dua solusi rantai sinyal, tujuan dan persyaratan yang dicapai adalah sebagai berikut:
· Keuntungan PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC dengan filter broadband yang dapat diprogram terintegrasi
· Ketika gain = 1 (bandwidth -3 dB adalah 300 Hz hingga sekitar 400 Hz), noise RTI adalah 1.0 V rms
· THD: -120 dB (ketika gain = 1)
· CMRR 100 dB (ketika gain = 1)
· Konsumsi daya (PGIA plus ADC): 33 mW
· Saluran kedua digunakan untuk self-test
Solusi rantai sinyal DAQ
Tidak ada ADC presisi di situs web ADI yang memiliki semua fitur ini dan dapat mencapai noise dan THD yang rendah, dan tidak ada PGIA yang dapat menyediakan noise dan konsumsi daya yang rendah. Namun, ADI menyediakan amplifier presisi yang sangat baik dan ADC presisi yang dapat digunakan untuk membangun rantai sinyal untuk mencapai tujuan.
Untuk membangun kebisingan rendah, distorsi rendah, dan konsumsi daya rendah PGIA, kebisingan ultra-rendah ADA4084-2 atau penguat zero-drift ADA4522-2 adalah pilihan yang baik.
Mengenai ADC presisi sangat tinggi, 24-bit -Δ ADC AD7768-1 atau 32-bit SAR ADC LTC2500-32 adalah pilihan teratas. Mereka menyediakan ODR yang dapat dikonfigurasi dan mengintegrasikan filter FIR low-pass datar, cocok untuk aplikasi DAQ yang berbeda.
Solusi rantai sinyal seismik: ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1
Gambar 2 menunjukkan seluruh rantai sinyal. ADA4084-2, ADG658 dan 0.1%PerlawananKebisingan rendah, PGIA THD rendah dapat dibuat, menyediakan hingga delapan opsi penguatan yang berbeda. AD7768-1 adalah saluran tunggal, konsumsi daya rendah, -120 dB THD platform. Ini memiliki FIR yang dapat diprogram dengan riak rendah, DC hingga 110. 8 kHz filter digital, dan menggunakan LT6657 sebagai referensi tegangan sumber.
gambar 2. ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1 plusMCUSolusi rantai sinyal yang difilter
Ketika AD7768-1 berjalan dengan ODR 1 kSPS, kebisingan kuadrat rata-rata akar adalah 1.76 V rms; dalam mode konsumsi daya rendah, konsumsi daya adalah 10 mW. Untuk mencapai kebisingan akhir 1.0 V rms, ia dapat beroperasi pada ODR yang lebih tinggi, seperti 16 kSPS dalam mode kecepatan sedang. Ketika AD7768-1 berjalan pada frekuensi modulator yang lebih tinggi, ia memiliki tingkat kebisingan yang lebih rendah (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3) dan konsumsi daya yang lebih tinggi. Algoritme filter FIR low-pass datar dapat diimplementasikan dalam perangkat lunak MCU untuk menghilangkan noise bandwidth yang lebih tinggi dan mengurangi ODR akhir menjadi 1 kSPS. Kebisingan kuadrat rata-rata akar akhir akan menjadi sekitar seperempat 3.55μV, atau 0.9μV.
gambar 3.Gunakan filter pos MCU untuk menyeimbangkan ODR AD7768-1 untuk mencapai kinerja kebisingan target
Sebagai contoh, filter FIR perangkat lunak MCU dapat dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 untuk menyeimbangkan kinerja dan penundaan grup.
Solusi rantai sinyal seismik: ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32
LTC2500-32 ADI adalah SAR ADC 32-bit dengan kebisingan rendah, daya rendah, kinerja tinggi dengan filter digital terintegrasi yang dapat dikonfigurasi. Kebisingan rendah filter digital 32-bit dan output INL yang rendah membuatnya sangat cocok untuk aplikasi seismologi dan eksplorasi energi.
Sumber impedansi tinggi harus di-buffer untuk meminimalkan waktu penyelesaian selama akuisisi dan mengoptimalkan linearitas saklar kapasitor masukan SAR ADC. Untuk mendapatkan performa terbaik, penguat buffer harus digunakan untuk menggerakkan input analog LTC2500-32. Harus merancang PGIA diskritsirkitUntuk menggerakkan LTC2500-32 untuk mencapai kebisingan rendah dan THD rendah (diperkenalkan di bagian PGIA).
pelaksanaan PGIA
Spesifikasi utama PGIA sirkit meliputi:
· Catu daya: 5 V (minimal)
· AD7768-1 memiliki konsumsi daya sebesar 19.7 mW, sehingga konsumsi daya PGIA sirkit harus kurang dari 13 mW, agar memenuhi target konsumsi daya sebesar 3 mW
· Kebisingan: ketika gain = 1, kebisingan adalah 0. 178 V rms, yaitu sekitar 1/10 dari AD7768-1. 78 V rms
Ada tiga jenis topologi PGIA:
· PGIA terintegrasi
· PGIA diskrit dengan amplifier instrumentasi terintegrasi
· PGIA diskrit dengan penguat operasional
Tabel 1 mencantumkan PGIA digital ADI. LTC6915 memiliki IQ terendah. Kepadatan noise adalah 50 nV/√Hz, dan noise terintegrasi pada bandwidth 430 Hz adalah 1.036 V rms, yang melebihi nilai target 0.178 V rms. Oleh karena itu, mengintegrasikan PGIA bukanlah pilihan yang baik.
Tabel 2 mencantumkan beberapa amplifier instrumentasi, termasuk AD8422 dengan IQ 300μA. Kebisingan terintegrasi dalam bandwidth 430 Hz adalah 1.645 V rms, jadi ini juga bukan pilihan yang baik.
Gambar 4. Tahap filter MCU pasca FIR
Gambar 5. Solusi rantai sinyal ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32
Gambar 6.LTC2500－32 Kebisingan Filter Passband Datar di bawah Koefisien Downsampling yang Berbeda
Tabel 1. PGIA Digital
Tabel 2. Penguat instrumen
tabel 3.Kebisingan rendah, penguat operasional daya rendah
Gambar 7.Diagram blok PGIA diskrit
Gunakan penguat operasional untuk membangun PGIA diskrit
Artikel “Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Finding the Best Amplifier for You” membahas berbagai PGIA terintegrasi dan memberikan panduan yang baik untuk membangun PGIA diskrit yang memenuhi persyaratan khusus2. Gambar 7 menunjukkan diagram blok PGIA diskrit sirkit.
Anda dapat memilih ADG659/ADG658 dengan kapasitansi rendah dan catu daya 5 V.
Untuk penguat operasional, IQ (voltage density
Untuk resistansi penguatan, pilih resistansi 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω untuk merealisasikan penguatan 1/4/16/64. Semakin besar resistansi, kebisingan dapat meningkat, dan semakin kecil resistansi, semakin banyak konsumsi daya yang diperlukan. Jika konfigurasi penguatan lain diperlukan, resistor harus dipilih dengan cermat untuk memastikan akurasi penguatan.
Input diferensial ADC bertindak sebagai pengurang. CMRR dari ADC lebih besar dari 100 dB, yang dapat memenuhi persyaratan sistem.
Simulasi kebisingan
Anda dapat menggunakan LTspice? untuk mensimulasikan kinerja noise dari PGIA diskrit. Bandwidth kebisingan terintegrasi adalah 430 Hz. Tabel 4 menunjukkan hasil simulasi kebisingan dari dua PGIA yang berbeda dan AD7768-1. Solusi ADA4084 memiliki kinerja noise yang lebih baik, terutama pada gain tinggi.
Tabel 4. Hasil simulasi kebisingan
Kompensasi dalam lingkaran sirkit menggerakkan LTC2500－32
AD7768-1 mengintegrasikan amplifier pra-pengisian untuk mengurangi kebutuhan drive. Untuk ADC SAR, seperti LTC2500-32, umumnya disarankan untuk menggunakan amplifier berkecepatan tinggi sebagai driver. Pada aplikasi DAQ ini kebutuhan bandwidth sangat rendah. Untuk menggerakkan LTC2500-32, disarankan untuk menggunakan kompensasi in-loop sirkit terdiri dari penguat presisi (ADA4084-2). Gambar 8 menunjukkan kompensasi in-loop PGIA yang digunakan untuk menggerakkan LTC2500-32. PGIA memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
· Komponen kunci R22/C14/R30/C5 dan R27/C6/R31/C3 digunakan untuk meningkatkan stabilitas kompensasi sirkit dalam lingkaran.
· Menggunakan ADG659, A1/A0 = 00, gain = 1, jalur umpan balik dari penguat atas adalah keluaran penguat? R22? R30? S1A? apa? R6? AMP — DI.
· Menggunakan ADG659, A1/A0 = 11, gain = 64, jalur umpan balik dari penguat atas adalah keluaran penguat? R22? R8? R10? R12? S4A? apa? R6? AMP — DI.
PGIA terhubung ke LTC2500-32EVB untuk memverifikasi kinerja. Bereksperimenlah dengan nilai komponen pasif yang berbeda (R22/C14/R30/C5 dan R27/C6/R31/C3) untuk mencapai kinerja THD dan noise yang lebih baik di bawah gain yang berbeda (1/4/16/64). Nilai komponen akhir adalah: R22/R27 = 100 , C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Ketika gain di bawah PGIA adalah 1, bandwidth 3 dB yang diukur adalah sekitar 16 kHz.
Gambar 8. PGIA menggerakkan LTC2500－32
Pengaturan evaluasi bangku tes
Untuk menguji kinerja noise, THD dan CMRR, papan ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1 yang terpisah dibuat menjadi solusi lengkap. Solusi ini kompatibel dengan papan evaluasi EVAL-AD7768-1, sehingga dapat berinteraksi dengan papan kontrol SDP-H1. Oleh karena itu, Anda dapat menggunakan GUI perangkat lunak EVAL-AD7768FMCZ untuk mengumpulkan dan menganalisis data.
Papan ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32 dirancang sebagai solusi lengkap alternatif.sirkit papanAntarmuka dengan papan kontrol SDP-H1 dan dikendalikan oleh GUI perangkat lunak LTC2500-32FMCZ.
Gain PGIA dari dua papan dirancang menjadi 1/2/4/8/16, yang berbeda dari yang ditunjukkan pada Gambar 8. Tabel 5 menunjukkan hasil evaluasi kedua papan ini.
Gambar 9. Solusi papan evaluasi ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1
tabel 5.Hasil uji solusi rantai sinyal
Gambar 10. FFT papan ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32 saat penguatannya adalah 1
Kesimpulannya
Untuk aplikasi seismologi dan eksplorasi energi, untuk merancang solusi DAQ yang sangat rendah noise dan berdaya rendah, PGIA diskrit dapat dirancang dengan amplifier presisi rendah THD dengan noise rendah untuk menggerakkan ADC presisi resolusi tinggi. Solusi ini dapat secara fleksibel menyeimbangkan kebisingan, THD dan ODR sesuai dengan kebutuhan daya.
· Kinerja kebisingan rendah LTC2500-32 dikombinasikan dengan keunggulan ADA4084-2 dan LTC2500-32 membuat solusi menunjukkan kinerja kebisingan terbaik tanpa perlu penyaringan lebih lanjut oleh MCU.
· Ketika PGIA gain = 1, ADA4522-2 dan ADA4084-2 memiliki kinerja noise yang baik. Kinerja kebisingan sekitar 0.8 ?V rms.
· ADA4084-2 memiliki kinerja noise yang lebih baik pada gain tinggi. Ketika gain = 16, noise ADA4084-2 dan LTC2500-32 adalah 0.19 V rms, yang lebih baik daripada ADA4522-2 0.25 V rms.
· Untuk AD7768-1, dengan bantuan penyaringan MCU, solusi ADA4084-2 dan AD7768-1 menunjukkan kinerja noise yang serupa dengan solusi ADA4084-2 dan LTC2500-32.
Solusi akuisisi data yang disajikan dalam artikel ini membutuhkan kebisingan yang rendah dan konsumsi daya yang rendah, tetapi bandwidthnya terbatas. Aplikasi DAQ lainnya memiliki persyaratan kinerja yang berbeda. Jika konsumsi daya rendah tidak diperlukan, penguat operasional berikut dapat digunakan untuk membangun PGIA:
· Kebisingan terendah: LT1124 dan LT1128 dapat dipertimbangkan untuk mendapatkan kinerja kebisingan terbaik.
· Drift terendah: Amplifier zero-drift baru ADA4523 memiliki karakteristik noise yang lebih baik daripada ADA4522-2 dan LTC2500-32.
· Arus bias minimum: Jika resistansi keluaran sensor tinggi, disarankan untuk menggunakan ADA4625-1.
· Bandwidth yang lebih tinggi: ADA4807, LTC6226 dan LTC6228 adalah solusi yang baik ketika membangun bandwidth tinggi, PGIA kebisingan rendah dalam aplikasi DAQ bandwidth tinggi.
Dalam aplikasi DAQ di mana kebisingan dan konsumsi daya tidak penting, tetapi memerlukan area PCB yang lebih kecil dan integrasi yang tinggi, PGIA ADA4254 dan LTC6373 terintegrasi baru dari ADI juga merupakan pilihan yang baik. ADA4254 adalah zero-drift, high-tegangan, PGIA tangguh dengan penguatan 1/16 hingga ~176, sedangkan LTC6373 adalah IBIAS 25 pA, penguatan 36 V, 0.25 hingga ~16, PGIA THD rendah.
Tabel 6. Tabel Pemilihan Penguat Operasional Presisi
Referensi
1 Geofon. Ilmu Langsung.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang dan Erbe D. Reyta. “Memahami dasar-dasar jaringan deteksi sinyal seismik”. Dialog Analog, Volume 53, Edisi 4, Desember 2019.
3 Kristina Fortunado. “Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Temukan amplifier terbaik untuk Anda.” Dialog Analog, Volume 52, Edisi 4, Desember 2018.
tentang Penulis
David Guo adalah insinyur aplikasi produk di Divisi Produk Linear Perangkat Analog. Dia bergabung dengan Pusat Aplikasi China ADI pada tahun 2007 sebagai insinyur aplikasi, dan kemudian dipindahkan ke departemen penguat presisi sebagai insinyur aplikasi pada bulan Juni 2011. Sejak Januari 2013, David menjabat sebagai insinyur aplikasi di Divisi Produk Linear Perangkat Analog. Dia bertanggung jawab atas dukungan teknis amplifier presisi, amplifier instrumentasi, amplifier berkecepatan tinggi, amplifier indra arus, pengganda, sumber tegangan referensi, dan produk RMS-DC. David meraih gelar sarjana dan master di bidang teknik mesin dan listrik dari Institut Beijing Teknologi. Hubungi: David. guo@analog. com.
Steven Xie bergabung dengan ADI cabang Beijing pada Maret 2011 sebagai product application engineer di ADI China Design Center. Dia bertanggung jawab atas dukungan teknis produk SAR ADC di pasar Cina. Sebelum itu, ia bekerja sebagai perancang perangkat keras di bidang stasiun pangkalan komunikasi nirkabel selama empat tahun. Pada tahun 2007, Steven lulus dari Beijing University of Aeronautics and Astronautics dengan gelar master di bidang komunikasi dan sistem informasi.