מחבר: ADI David Guo, מהנדס יישומי מוצר, Steven Xie, מהנדס יישומי מוצר
מערכות רכישת נתונים מדויקים (DAQ) פופולריות מאוד ביישומים תעשייתיים. יישומי DAQ מסוימים דורשים צריכת חשמל נמוכה ורעש נמוך במיוחד. דוגמה לכך היא יישום חיישנים סייסמיים. ניתן לחלץ כמות גדולה של מידע מנתונים סייסמיים. מידע זה יכול לשמש במגוון רחב של יישומים, כגון ניטור בריאות מבני, מחקר גיאופיזי, חיפושי נפט, ואפילו אבטחה תעשייתית ובית.
דרישות שרשרת האותות של DAQ
גיאופונים הם מכשירי המרה אלקטרו-מכאניים הממירים אותות רטט קרקע לאותות חשמליים, ומתאימים לחקר סיסמי ברזולוציה גבוהה. הם מושתלים על הקרקע לאורך המערך כדי למדוד את הזמן שלוקח לגלים סיסמיים להקפיץ משטח לא רציף (כגון מישור), כפי שמוצג באיור 1.
איור 1. מקור סייסמי ומערך גיאופונים
כדי ללכוד את אות הפלט הקטן של הגיאופון, יש לבנות שרשרת אות DAQ בעלת רגישות גבוהה לניתוח נתונים. רעש ה-rms הכולל צריך להיות 1.0 μV rms, טווח רוחב הפס השטוח השטוח המוגבלת הוא כ-300 הרץ עד 400 הרץ, ושרשרת האותות אמורה להגיע ל-THD של כ-120 dB. מכיוון שהמכשיר הסייסמי מופעל באמצעות סוללה, יש לשלוט בצריכת החשמל בכ-30 mW.
מאמר זה מציג שני פתרונות שרשרת אותות, המטרות והדרישות שהושגו הן כדלקמן:
· רווח PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC עם מסנן פס רחב משולב הניתן לתכנות
· כאשר ההגבר = 1 (רוחב הפס של -3 dB הוא 300 הרץ עד 400 הרץ בערך), רעש ה-RTI הוא 1.0 מיקרו-וולט rms
· THD: -120 dB (כאשר רווח = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (כאשר רווח = 1)
· צריכת חשמל (PGIA פלוס ADC): 33 mW
· הערוץ השני משמש לבדיקה עצמית
פתרון שרשרת אותות DAQ
אין ADC מדויק באתר ADI שיש לו את כל התכונות האלה והוא יכול להשיג רעש ו-THD כל כך נמוכים, ואף PGIA לא יכול לספק רעש וצריכת חשמל כל כך נמוכים. עם זאת, ADI מספקת מגברים מדויקים ו-ADC מדויקים שניתן להשתמש בהם לבניית שרשראות אותות להשגת יעדים.
על מנת לבנות רעש נמוך, עיוות נמוך וצריכת חשמל נמוכה PGIA, רעש נמוך במיוחד ADA4084-2 או מגבר אפס סחיפה ADA4522-2 הם בחירה טובה.
לגבי ADCs בעלי דיוק גבוה מאוד, ה-24-bit Σ-Δ ADC AD7768-1 או 32-bit SAR ADC LTC2500-32 הם הבחירות המובילות. הם מספקים ODR ניתן להגדרה ומשלבים מסנני FIR שטוחים במעבר נמוך, המתאימים ליישומי DAQ שונים.
פתרונות שרשרת אותות סיסמיים: ADA4084-2 PGIA ו-AD7768-1
איור 2 מציג את כל שרשרת האותות. ADA4084-2, ADG658 ו-0.1%התנגדותניתן לבנות PGIA עם רעש נמוך ו-THD נמוך, המספקת עד שמונה אפשרויות רווח שונות. AD7768-1 הוא ערוץ יחיד, צריכת חשמל נמוכה, פלטפורמת -120 dB THD. יש לו מסנן דיגיטלי FIR בעל אדוות נמוך, DC עד 110. 8 קילו-הרץ, ומשתמש ב-LT6657 כאסמכתא מתח מָקוֹר.
איור 2. ADA4084-2 PGIA ו-AD7768-1 פלוסMCUפתרון שרשרת אותות מסונן
כאשר AD7768-1 פועל עם ODR של 1 kSPS, הרעש הריבועי הממוצע של השורש הוא 1.76 μV rms; במצב צריכת חשמל נמוכה, צריכת החשמל היא 10 mW. על מנת להשיג את הרעש הסופי של 1.0 μV rms, הוא יכול לפעול ב-ODR גבוה יותר, כגון 16 kSPS במצב מהירות בינונית. כאשר AD7768-1 פועל בתדר מאפנן גבוה יותר, יש לו רצפת רעש נמוכה יותר (כמתואר באיור 3) וצריכת חשמל גבוהה יותר. ניתן ליישם את אלגוריתם מסנן FIR במעבר נמוך שטוח בתוכנת MCU כדי לחסל רעשי רוחב פס גבוה יותר ולהפחית את ה-ODR הסופי ל-1 kSPS. הרעש המרובע הבסיסי הסופי יהיה כרבע מ-3.55μV, או 0.9μV.
תמונה 3. השתמש במסנן הפוסט של MCU כדי לאזן את ה-ODR של AD7768-1 כדי להשיג את ביצועי הרעשים היעד
כדוגמה, ניתן לבנות את מסנן FIR של תוכנת MCU כפי שמוצג באיור 4 כדי לאזן בין ביצועים לבין עיכוב קבוצתי.
פתרונות שרשרת אותות סיסמיים: ADA4084-2 PGIA ו-LTC2500-32
ה-LTC2500-32 של ADI הוא 32-bit SAR ADC בעל רעש נמוך, הספק נמוך וביצועים גבוהים עם מסנן דיגיטלי משולב הניתן להגדרה. הרעש הנמוך ותפוקת ה-INL הנמוכה של המסנן הדיגיטלי 32 סיביות הופכים אותו למתאים במיוחד ליישומי סייסמולוגיה וחקר אנרגיה.
יש לאחסן מקורות עכבה גבוהה כדי למזער את זמן ההתמקמות במהלך הרכישה ולייעל את הליניאריות של המתג קבל קלט SAR ADC. על מנת להשיג את הביצועים הטובים ביותר, יש להשתמש במגבר חוצץ להנעת הקלט האנלוגי של ה-LTC2500-32. חייב לעצב PGIA דיסקרטימעגללנהוג ב-LTC2500-32 כדי להשיג רעש נמוך ו-THD נמוך (הוצג בחלק PGIA).
יישום PGIA
המפרט העיקרי של ה-PGIA מעגל כוללות:
· ספק כוח: 5 V (מינימום)
· ל-AD7768-1 יש צריכת חשמל של 19.7 mW, כך שצריכת החשמל של ה-PGIA מעגל צריך להיות פחות מ-13 mW, כדי לעמוד ביעד צריכת החשמל של 3 mW
· רעש: כאשר רווח = 1, הרעש הוא 0. 178 μV rms, שהם בערך 1/10 מ-AD7768-1. 78 μV rms
ישנם שלושה סוגים של טופולוגיות PGIA:
· PGIA משולב
· PGIA דיסקרטי עם מגבר מכשור משולב
· PGIA דיסקרטי עם מגבר תפעולי
טבלה 1 מפרטת את ה-PGIA הדיגיטלי של ADI. ל-LTC6915 יש את מנת המשכל הנמוכה ביותר. צפיפות הרעש היא 50 nV/√Hz, והרעש המשולב ברוחב הפס של 430 הרץ הוא 1.036 μV rms, החורג מערך היעד של 0.178 μV rms. לכן, שילוב PGIA אינו בחירה טובה.
טבלה 2 מפרטת מספר מגברי מכשור, כולל AD8422 עם IQ של 300μA. הרעש המשולב שלו ברוחב הפס של 430 הרץ הוא 1.645 μV rms, כך שגם זו לא בחירה טובה.
איור 4. שלב מסנן MCU לאחר FIR
איור 5. פתרון שרשרת האות ADA4084-2 PGIA ו-LTC2500-32
תמונה 6.LTC2500－32 רעש מסנן פס מעבר שטוח תחת מקדמי דגימה שונים
טבלה 1. PGIA דיגיטלי
טבלה 2.מגבר מכשירים
טבלה 3. רעש נמוך, מגבר תפעולי נמוך
איור 7. דיאגרמת בלוק PGIA דיסקרטית
השתמש במגבר תפעולי כדי לבנות PGIA דיסקרטי
המאמר "מגבר מכשור רווח לתכנות: מציאת המגבר הטוב ביותר עבורך" דן ב-PGIA משולבים שונים ומספק הנחיות טובות לבניית PGIA נפרדים העומדים בדרישות ספציפיות2. איור 7 מציג תרשים בלוקים של ה-PGIA הבדיד מעגל.
אתה יכול לבחור ADG659/ADG658 עם קיבול נמוך ואספקת חשמל 5 V.
עבור מגברים תפעוליים, IQ (צפיפות מתח
לגבי התנגדות ההגברה, בחר התנגדות של 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω כדי לממש רווח של 1/4/16/64. ככל שההתנגדות גדולה יותר, הרעש עשוי לגדול, וככל שההתנגדות קטנה יותר, כך נדרשת צריכת חשמל רבה יותר. אם נדרשות תצורות רווח אחרות, נגדים חייבים להיבחר בקפידה כדי להבטיח דיוק רווח.
הקלט הדיפרנציאלי ADC פועל כמפחית. ה-CMRR של ה-ADC גדול מ-100 dB, מה שיכול לעמוד בדרישות המערכת.
הדמיית רעש
אתה יכול להשתמש ב-LTspice? כדי לדמות את ביצועי הרעש של PGIA דיסקרטי. רוחב הפס המשולב של הרעש הוא 430 הרץ. טבלה 4 מציגה את תוצאות הדמיית הרעש של שני PGIAs שונים ו-AD7768-1. לפתרון ADA4084 יש ביצועי רעש טובים יותר, במיוחד ברווחים גבוהים.
טבלה 4. תוצאות הדמיית רעש
פיצוי בלולאה מעגל כונן LTC2500－32
AD7768-1 משלב מגבר טעינה מוקדמת כדי להפחית את דרישות הכונן. עבור SAR ADCs, כגון LTC2500-32, מומלץ בדרך כלל להשתמש במגבר במהירות גבוהה בתור דרייבר. ביישום DAQ זה, דרישת רוחב הפס נמוכה מאוד. על מנת לנהוג ב-LTC2500-32, מומלץ להשתמש בפיצוי בלולאה מעגל מורכב ממגבר מדויק (ADA4084-2). איור 8 מציג את הפיצוי בלולאה PGIA המשמש להנעת ה-LTC2500-32. ל-PGIA יש את המאפיינים הבאים:
· מרכיבי המפתח של R22/C14/R30/C5 ו-R27/C6/R31/C3 משמשים לשיפור היציבות של הפיצוי מעגל בסיבוב.
· באמצעות ADG659, A1/A0 = 00, gain = 1, נתיב המשוב של המגבר העליון הוא מוצא המגבר? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP — IN.
· באמצעות ADG659, A1/A0 = 11, gain = 64, נתיב המשוב של המגבר העליון הוא פלט המגבר? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP — IN.
PGIA מחובר ל-LTC2500-32EVB כדי לאמת ביצועים. ניסוי עם ערכי רכיבים פסיביים שונים (R22/C14/R30/C5 ו-R27/C6/R31/C3) כדי להשיג ביצועי THD ורעש טובים יותר תחת רווחים שונים (1/4/16/64). ערכי הרכיבים הסופיים הם: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. כאשר הרווח מתחת ל-PGIA הוא 1, רוחב הפס הנמדד של 3 dB הוא כ-16 קילו-הרץ.
איור 8. כונני PGIA LTC2500－32
הגדרות הערכת ספסל בדיקה
על מנת לבדוק את הביצועים של רעש, THD ו-CMRR, לוחות ADA4084-2 PGIA ו-AD7768-1 נפרדים הופכים לפתרון מלא. פתרון זה תואם ללוח ההערכה EVAL-AD7768-1, כך שהוא יכול להתממשק עם לוח הבקרה SDP-H1. לכן, אתה יכול להשתמש ב-GUI של תוכנת EVAL-AD7768FMCZ כדי לאסוף ולנתח נתונים.
לוחות ADA4084-2 PGIA ו-LTC2500-32 מתוכננים כפתרונות מלאים חלופיים.מעגל לוּחַממשק עם לוח בקרה SDP-H1 ונשלט על ידי GUI של תוכנת LTC2500-32FMCZ.
רווח ה-PGIA של שני הלוחות מתוכנן להיות 1/2/4/8/16, שהוא שונה מזה המוצג באיור 8. טבלה 5 מציגה את תוצאות ההערכה של שני הלוחות הללו.
איור 9. פתרון לוח הערכה ADA4084-2 PGIA ו-AD7768-1
טבלה 5. תוצאות בדיקת פתרונות שרשרת איתות
איור 10. FFT של לוחות ADA4084-2 PGIA ו-LTC2500-32 כאשר הרווח הוא 1
לסיכום
עבור יישומי סייסמולוגיה וחקר אנרגיה, על מנת לתכנן פתרון DAQ בעל רעש נמוך מאוד והספק נמוך, ניתן לתכנן PGIA בדיד עם מגבר בעל רעש נמוך ודיוק נמוך של THD כדי להניע ADC דיוק ברזולוציה גבוהה. פתרון זה יכול לאזן בצורה גמישה רעש, THD ו-ODR בהתאם לדרישות ההספק.
· ביצועי הרעש הנמוכים של LTC2500-32 בשילוב עם היתרונות של ADA4084-2 ו-LTC2500-32 גורמים לפתרון להציג את ביצועי הרעש הטובים ביותר ללא צורך בסינון נוסף על ידי ה-MCU.
· כאשר PGIA gain = 1, ל-ADA4522-2 ול-ADA4084-2 יש ביצועי רעש טובים. ביצועי הרעש הם בערך 0.8 ?V rms.
· ל-ADA4084-2 יש ביצועי רעש טובים יותר בהגברה גבוהה. כאשר רווח = 16, הרעש של ADA4084-2 ו-LTC2500-32 הוא 0.19 μV rms, וזה טוב יותר מה-4522 μV rms של ADA2-0.25.
· עבור AD7768-1, בעזרת סינון MCU, פתרונות ADA4084-2 ו-AD7768-1 מציגים ביצועי רעש דומים לפתרונות ADA4084-2 ו-LTC2500-32.
פתרון רכישת הנתונים המוצג במאמר זה דורש רעש נמוך וצריכת חשמל נמוכה, אך רוחב הפס מוגבל. ליישומי DAQ אחרים יש דרישות ביצועים שונות. אם אין צורך בצריכת חשמל נמוכה, ניתן להשתמש במגברים התפעוליים הבאים לבניית PGIA:
· הרעש הנמוך ביותר: LT1124 ו-LT1128 יכולים להיחשב כדי להשיג את ביצועי הרעש הטובים ביותר.
· הסחף הנמוך ביותר: למגבר האפס סחף החדש ADA4523 יש מאפייני רעש טובים יותר מאשר ADA4522-2 ו-LTC2500-32.
· זרם הטיה מינימלי: אם התנגדות המוצא של החיישן גבוהה, מומלץ להשתמש ב-ADA4625-1.
· רוחב פס גבוה יותר: ADA4807, LTC6226 ו-LTC6228 הם פתרונות טובים לבניית PGIA ברוחב פס גבוה ורעש נמוך ביישומי DAQ ברוחב פס גבוה.
ביישומי DAQ שבהם הרעש וצריכת החשמל אינם חשובים, אך דורשים שטח PCB קטן יותר ואינטגרציה גבוהה, גם ה-PGIA ADA4254 ו-LTC6373 המשולבים החדשים של ADI הם בחירה טובה. ה-ADA4254 הוא סחף אפס, גבוהמתח, PGIA חזק עם רווח של 1/16 עד ~176, בעוד שה-LTC6373 הוא IBIAS של 25 pA, 36 V, 0.25 עד ~16 רווח, THD PGIA נמוך.
טבלה 6. טבלת בחירת מגבר תפעולי מדויק
התייחסות
1 גיאופון. ScienceDirect.
2 ג'סי סנטוס, אנג'לו ניקו קטאפאנג וארבה ד' רייטה. "הבן את היסודות של רשתות זיהוי אותות סיסמיים". דיאלוג אנלוגי, כרך 53, גיליון 4, דצמבר 2019.
3 קריסטינה פורטונאדו. "מגבר מכשור רווח לתכנות: מצא את המגבר הטוב ביותר עבורך." דיאלוג אנלוגי, כרך 52, גיליון 4, דצמבר 2018.
על המחבר
David Guo הוא מהנדס יישומי מוצר בחטיבת המוצרים ליניאריים של מכשירים אנלוגיים. הוא הצטרף למרכז היישומים בסין של ADI בשנת 2007 כמהנדס יישומים, ולאחר מכן עבר למחלקת מגברי דיוק כמהנדס יישומים ביוני 2011. מאז ינואר 2013, דיוויד שימש כמהנדס יישומים בחטיבת המוצרים ליניאריים של מכשירים אנלוגיים. הוא אחראי על התמיכה הטכנית של מגברים מדויקים, מגברי מכשור, מגברים מהירים, מגברי חישת זרם, מכפילים, מקורות מתח ייחוס ומוצרי RMS-DC. דוד הוא בעל תואר ראשון ותואר שני בהנדסת מכונות וחשמל ממכון בייג'ינג של טכנולוגיה. איש קשר: דיוויד. guo@analog. com.
סטיבן שי הצטרף לסניף ADI בייג'ינג במרץ 2011 כמהנדס יישומי מוצר במרכז ADI China Design. הוא אחראי על התמיכה הטכנית של מוצרי SAR ADC בשוק הסיני. לפני כן עבד כמעצב חומרה בתחום תחנות בסיס תקשורת אלחוטית במשך ארבע שנים. בשנת 2007, סטיבן סיים את לימודיו באוניברסיטת בייג'ינג לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה עם תואר שני בתקשורת ומערכות מידע.