Autore: ADI David Guo, Product Application Engineer, Steven Xie, Product Application Engineer
I sistemi di acquisizione dati di precisione (DAQ) sono molto diffusi nelle applicazioni industriali. Alcune applicazioni DAQ richiedono un basso consumo energetico e un rumore ultrabasso. Un esempio è l'applicazione dei sensori sismici. Una grande quantità di informazioni può essere estratta dai dati sismici. Queste informazioni possono essere utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, come il monitoraggio della salute strutturale, la ricerca geofisica, l'esplorazione del petrolio e persino la sicurezza industriale e domestica.
Requisiti della catena del segnale DAQ
I geofoni sono dispositivi di conversione elettromeccanici che convertono i segnali di vibrazione del suolo in segnali elettrici e sono adatti per l'esplorazione sismica ad alta risoluzione. Vengono impiantati a terra lungo l'array per misurare il tempo necessario alle onde sismiche per rimbalzare su una superficie discontinua (come un aereo), come mostrato nella Figura 1.
figura 1.Sorgente sismica e array di geofoni
Per catturare il piccolo segnale di uscita del geofono, è necessario costruire una catena di segnali DAQ ad alta sensibilità per l'analisi dei dati. Il rumore rms totale dovrebbe essere 1.0 μV rms, l'intervallo di larghezza di banda passa-basso piatto limitato è compreso tra 300 Hz e 400 Hz e la catena del segnale dovrebbe raggiungere un THD di circa -120 dB. Poiché lo strumento sismico è alimentato da una batteria, il consumo di energia dovrebbe essere controllato a circa 30 mW.
Questo articolo introduce due soluzioni per la catena del segnale, gli obiettivi e i requisiti raggiunti sono i seguenti:
· Guadagno PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC con filtro a banda larga programmabile integrato
· Quando il guadagno = 1 (la larghezza di banda di -3 dB va da 300 Hz a circa 400 Hz), il rumore RTI è 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (quando guadagno = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (quando guadagno = 1)
· Consumo energetico (PGIA più ADC): 33 mW
· Il secondo canale viene utilizzato per l'autotest
Soluzione per la catena del segnale DAQ
Non esiste un ADC di precisione sul sito Web ADI che abbia tutte queste caratteristiche e possa ottenere un rumore e un THD così bassi, e nessun PGIA può fornire un rumore e un consumo energetico così bassi. Tuttavia, ADI fornisce eccellenti amplificatori di precisione e ADC di precisione che possono essere utilizzati per costruire catene di segnale per raggiungere gli obiettivi.
Per costruire un PGIA a basso rumore, bassa distorsione e basso consumo energetico, l'ADA4084-2 a bassissimo rumore o l'amplificatore a deriva zero ADA4522-2 sono buone scelte.
Per quanto riguarda gli ADC ad altissima precisione, l'ADC Σ-Δ a 24 bit AD7768-1 o l'ADC SAR a 32 bit LTC2500-32 sono le scelte migliori. Forniscono ODR configurabile e integrano filtri FIR passa-basso piatti, adatti a diverse applicazioni DAQ.
Soluzioni per la catena del segnale sismico: ADA4084-2 PGIA e AD7768-1
La Figura 2 mostra l'intera catena del segnale. ADA4084-2, ADG658 e 0.1%resistenzaÈ possibile costruire PGIA a basso rumore e THD basso, fornendo fino a otto diverse opzioni di guadagno. AD7768-1 è una piattaforma a canale singolo, a basso consumo energetico, con THD da -120 dB. Dispone di un filtro digitale FIR programmabile a basso ripple, da CC a 110 kHz e utilizza LT8 come riferimento voltaggio fonte.
figura 2. ADA4084-2 PGIA e AD7768-1 plusMCUSoluzione per la catena del segnale filtrata
Quando AD7768-1 funziona con ODR di 1 kSPS, il rumore quadratico medio è 1.76 μV rms; in modalità a basso consumo energetico, il consumo energetico è di 10 mW. Per ottenere il rumore finale di 1.0 μV rms, può funzionare a un ODR più elevato, ad esempio 16 kSPS in modalità a velocità media. Quando AD7768-1 funziona a una frequenza del modulatore più alta, ha un rumore di fondo inferiore (come mostrato nella Figura 3) e un consumo energetico maggiore. L'algoritmo del filtro FIR passa basso piatto può essere implementato nel software MCU per eliminare il rumore di larghezza di banda più elevato e ridurre l'ODR finale a 1 kSPS. Il rumore quadratico medio della radice finale sarà di circa un quarto di 3.55 μV o 0.9 μV.
immagine 3.Utilizzare il post-filtro MCU per bilanciare l'ODR di AD7768-1 per ottenere le prestazioni di rumore target
Ad esempio, il filtro FIR del software MCU può essere costruito come mostrato nella Figura 4 per bilanciare le prestazioni e il ritardo di gruppo.
Soluzioni per la catena del segnale sismico: ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32
LTC2500-32 di ADI è un ADC SAR a 32 bit a basso rumore, basso consumo e alte prestazioni con filtro digitale configurabile integrato. Il basso rumore e l'uscita INL bassa del filtro digitale a 32 bit lo rendono particolarmente adatto per applicazioni di sismologia ed esplorazione energetica.
Le sorgenti ad alta impedenza dovrebbero essere bufferizzate per ridurre al minimo il tempo di assestamento durante l'acquisizione e ottimizzare la linearità della commutazione condensatore ingresso ADC SAR. Per ottenere le migliori prestazioni, è necessario utilizzare un amplificatore buffer per pilotare l'ingresso analogico dell'LTC2500-32. Deve progettare un PGIA discretoCircuitoPer pilotare LTC2500-32 per ottenere basso rumore e basso THD (introdotto nella parte PGIA).
Implementazione PGIA
Le principali specifiche della PGIA circuito includono:
· Alimentazione: 5 V (minimo)
· AD7768-1 ha un consumo energetico di 19.7 mW, quindi il consumo energetico del PGIA circuito dovrebbe essere inferiore a 13 mW, al fine di soddisfare l'obiettivo di consumo energetico di 3 mW
· Rumore: quando guadagno = 1, il rumore è 0 μV rms, che è circa 178/1 di AD10-7768. 1 μV rms
Esistono tre tipi di topologie PGIA:
· PGIA . integrato
· PGIA discreta con amplificatore per strumentazione integrato
· PGIA discreta con amplificatore operazionale
La tabella 1 elenca i PGIA digitali di ADI. L'LTC6915 ha il QI più basso. La densità del rumore è di 50 nV/√Hz e il rumore integrato nella larghezza di banda di 430 Hz è di 1.036 μV rms, che supera il valore target di 0.178 μV rms. Pertanto, l’integrazione del PGIA non è una buona scelta.
La Tabella 2 elenca diversi amplificatori per strumentazione, incluso l'AD8422 con 300μA IQ. Il suo rumore integrato nella larghezza di banda di 430 Hz è 1.645 μV rms, quindi non è nemmeno una buona scelta.
Figura 4. Stadio del filtro FIR post MCU
Figura 5. Soluzione per la catena del segnale ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32
Immagine 6.LTC2500－32 rumore del filtro passabanda piatto sotto diversi coefficienti di downsampling
Tabella 1. PGIA Digital digitale
Tabella 2.Amplificatore per strumenti
tabella 3. Amplificatore operazionale a basso rumore e bassa potenza
Figura 7.Schema a blocchi PGIA discreto
Usa un amplificatore operazionale per costruire un PGIA disc discreto
L'articolo "Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Finding the Best Amplifier for You" discute vari PGIA integrati e fornisce buone linee guida per la creazione di PGIA discreti che soddisfano requisiti specifici2. La Figura 7 mostra uno schema a blocchi del PGIA discreto circuito.
Puoi scegliere ADG659/ADG658 con bassa capacità e alimentazione 5 V.
Per gli amplificatori operazionali, IQ (densità di tensione
Per quanto riguarda la resistenza del guadagno, scegli una resistenza di 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω per ottenere un guadagno di 1/4/16/64. Maggiore è la resistenza, il rumore può aumentare e minore è la resistenza, maggiore è il consumo di energia richiesto. Se sono necessarie altre configurazioni di guadagno, i resistori devono essere accuratamente selezionati per garantire la precisione del guadagno.
L'ADC con ingresso differenziale funge da sottrattore. Il CMRR dell'ADC è maggiore di 100 dB, il che può soddisfare i requisiti di sistema.
Simulazione del rumore
È possibile utilizzare LTspice? per simulare le prestazioni di rumore di un PGIA discreto. La larghezza di banda del rumore integrata è di 430 Hz. La tabella 4 mostra i risultati della simulazione del rumore di due diversi PGIA e AD7768-1. La soluzione ADA4084 offre prestazioni di rumore migliori, soprattutto a guadagni elevati.
Tabella 4. Risultati della simulazione del rumore
Compensazione in loop circuito pilota LTC2500－32
AD7768-1 integra un amplificatore di precarica per ridurre i requisiti di azionamento. Per gli ADC SAR, come l'LTC2500-32, si consiglia generalmente di utilizzare un amplificatore ad alta velocità come driver. In questa applicazione DAQ, il requisito di larghezza di banda è molto basso. Per pilotare l'LTC2500-32, si consiglia di utilizzare una compensazione in-loop circuito composto da un amplificatore di precisione (ADA4084-2). La Figura 8 mostra il PGIA di compensazione in-loop utilizzato per pilotare l'LTC2500-32. Il PGIA ha le seguenti caratteristiche:
· I componenti chiave di R22/C14/R30/C5 e R27/C6/R31/C3 sono utilizzati per migliorare la stabilità della compensazione circuito nel loop.
· Usando ADG659, A1/A0 = 00, guadagno = 1, il percorso di retroazione dell'amplificatore superiore è l'uscita dell'amplificatore? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP — IN.
· Usando ADG659, A1/A0 = 11, guadagno = 64, il percorso di retroazione dell'amplificatore superiore è l'uscita dell'amplificatore? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP — IN.
PGIA è collegato all'LTC2500-32EVB per verificare le prestazioni. Sperimenta diversi valori di componenti passivi (R22/C14/R30/C5 e R27/C6/R31/C3) per ottenere migliori prestazioni di THD e rumore con guadagni diversi (1/4/16/64). I valori finali dei componenti sono: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Quando il guadagno inferiore a PGIA è 1, la larghezza di banda misurata di 3 dB è di circa 16 kHz.
Figura 8. Unità PGIA LTC2500－32
Impostazioni di valutazione del banco prova
Per testare le prestazioni di rumore, THD e CMRR, le schede separate ADA4084-2 PGIA e AD7768-1 vengono trasformate in una soluzione completa. Questa soluzione è compatibile con la scheda di valutazione EVAL-AD7768-1, quindi può interfacciarsi con la scheda di controllo SDP-H1. Pertanto, è possibile utilizzare la GUI del software EVAL-AD7768FMCZ per raccogliere e analizzare i dati.
Le schede ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32 sono progettate come soluzioni complete alternative.circuito tavolaInterfaccia con scheda di controllo SDP-H1 e controllata dalla GUI del software LTC2500-32FMCZ.
Il guadagno PGIA delle due schede è progettato per essere 1/2/4/8/16, che è diverso da quello mostrato nella Figura 8. La Tabella 5 mostra i risultati della valutazione di queste due schede.
Figura 9. Soluzione della scheda di valutazione ADA4084-2 PGIA e AD7768-1
tabella 5.Risultati del test della soluzione della catena del segnale
Figura 10. FFT delle schede ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32 quando il guadagno è 1
in conclusione
Per le applicazioni di sismologia ed esplorazione energetica, al fine di progettare una soluzione DAQ a bassissimo rumore e bassa potenza, è possibile progettare un PGIA discreto con un amplificatore di precisione a basso rumore e basso THD per pilotare un ADC di precisione ad alta risoluzione. Questa soluzione può bilanciare in modo flessibile rumore, THD e ODR in base ai requisiti di alimentazione.
· Le prestazioni a basso rumore di LTC2500-32 combinate con i vantaggi di ADA4084-2 e LTC2500-32 fanno sì che la soluzione offra le migliori prestazioni di rumore senza la necessità di ulteriori filtri da parte dell'MCU.
· Quando il guadagno PGIA = 1, ADA4522-2 e ADA4084-2 hanno buone prestazioni di rumore. La prestazione del rumore è di circa 0.8 ?V rms.
· ADA4084-2 ha prestazioni di rumore migliori ad alto guadagno. Quando guadagno = 16, il rumore di ADA4084-2 e LTC2500-32 è 0.19 μV rms, che è migliore di 4522 μV rms di ADA2-0.25.
· Per AD7768-1, con l'aiuto del filtraggio MCU, le soluzioni ADA4084-2 e AD7768-1 mostrano prestazioni di rumore simili alle soluzioni ADA4084-2 e LTC2500-32.
La soluzione di acquisizione dati presentata in questo articolo richiede basso rumore e basso consumo energetico, ma la larghezza di banda è limitata. Altre applicazioni DAQ hanno requisiti di prestazioni diversi. Se non è necessario un basso consumo energetico, è possibile utilizzare i seguenti amplificatori operazionali per costruire PGIA:
· Rumore più basso: LT1124 e LT1128 possono essere considerati per ottenere le migliori prestazioni di rumore.
· Deriva minima: il nuovo amplificatore a deriva zero ADA4523 ha caratteristiche di rumore migliori rispetto a ADA4522-2 e LTC2500-32.
· Corrente di polarizzazione minima: se la resistenza di uscita del sensore è elevata, si consiglia di utilizzare ADA4625-1.
· Larghezza di banda più elevata: ADA4807, LTC6226 e LTC6228 sono buone soluzioni per la creazione di PGIA a larghezza di banda elevata e basso rumore in applicazioni DAQ a larghezza di banda elevata.
Nelle applicazioni DAQ in cui rumore e consumo energetico non sono importanti, ma richiedono un'area PCB più piccola e un'elevata integrazione, anche i nuovi PGIA integrati ADA4254 e LTC6373 di ADI sono buone scelte. ADA4254 è un dispositivo a deriva zero, ad altavoltaggio, robusto PGIA con un guadagno da 1/16 a ~176, mentre l'LTC6373 è un IBIAS da 25 pA, 36 V, guadagno da 0.25 a ~16, basso THD PGIA.
Tabella 6.Tabella di selezione dell'amplificatore operazionale di precisione
Riferimento
1 geofono. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang e Erbe D. Reyta. “Comprendere le basi delle reti di rilevamento del segnale sismico”. Dialogo analogico, volume 53, numero 4, dicembre 2019.
3 Kristina Fortunado. "Amplificatore strumentale a guadagno programmabile: trova l'amplificatore migliore per te." Dialogo analogico, volume 52, numero 4, dicembre 2018.
L'autore
David Guo è un ingegnere di applicazioni di prodotto presso la divisione Linear Products di Analog Devices. È entrato a far parte del China Application Center di ADI nel 2007 come ingegnere applicativo, per poi essere trasferito al dipartimento degli amplificatori di precisione come ingegnere applicativo nel giugno 2011. Da gennaio 2013, David ha lavorato come ingegnere applicativo nella divisione Linear Products di Analog Devices. È responsabile del supporto tecnico di amplificatori di precisione, amplificatori per strumentazione, amplificatori ad alta velocità, amplificatori di rilevamento della corrente, moltiplicatori, sorgenti di tensione di riferimento e prodotti RMS-DC. David ha conseguito una laurea e un master in ingegneria meccanica ed elettrica presso l'Istituto di Pechino Tecnologia. Contatto: Davide. guo@analogico. com.
Steven Xie è entrato a far parte della filiale ADI di Pechino nel marzo 2011 come ingegnere applicativo del prodotto presso l'ADI China Design Center. È responsabile del supporto tecnico dei prodotti SAR ADC nel mercato cinese. In precedenza, ha lavorato per quattro anni come progettista hardware nel campo delle stazioni base per la comunicazione wireless. Nel 2007, Steven si è laureato presso l'Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino con un master in comunicazioni e sistemi informativi.