Pengarang: ADI David Guo, Jurutera Aplikasi Produk, Steven Xie, Jurutera Aplikasi Produk
Sistem pemerolehan data ketepatan (DAQ) sangat popular dalam aplikasi industri. Sesetengah aplikasi DAQ memerlukan penggunaan kuasa yang rendah dan hingar ultra rendah. Contohnya ialah aplikasi penderia seismik. Sebilangan besar maklumat boleh diekstrak daripada data seismik. Maklumat ini boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, seperti pemantauan kesihatan struktur, penyelidikan geofizik, penerokaan petroleum, dan juga keselamatan industri dan isi rumah.
Keperluan rantai isyarat DAQ
Geofon ialah peranti penukaran elektromekanikal yang menukar isyarat getaran tanah kepada isyarat elektrik, dan sesuai untuk penerokaan seismik resolusi tinggi. Ia ditanam di atas tanah di sepanjang tatasusunan untuk mengukur masa yang diperlukan untuk gelombang seismik melantun dari permukaan tidak selanjar (seperti satah), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
rajah 1.Sumber seismik dan tatasusunan geofon
Untuk menangkap isyarat keluaran kecil geofon, rantai isyarat DAQ berkepekaan tinggi mesti dibina untuk analisis data. Jumlah hingar rms hendaklah 1.0 μV rms, julat lebar jalur rendah rata rata terhad ialah kira-kira 300 Hz hingga 400 Hz, dan rantai isyarat harus mencapai THD kira-kira -120 dB. Memandangkan alat seismik dikuasakan oleh bateri, penggunaan kuasa harus dikawal pada kira-kira 30 mW.
Artikel ini memperkenalkan dua penyelesaian rantai isyarat, matlamat dan keperluan yang dicapai adalah seperti berikut:
· Keuntungan PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC dengan penapis jalur lebar boleh atur cara bersepadu
· Apabila keuntungan = 1 (jalur lebar -3 dB ialah 300 Hz hingga kira-kira 400 Hz), hingar RTI ialah 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (apabila keuntungan = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (apabila keuntungan = 1)
· Penggunaan kuasa (PGIA tambah ADC): 33 mW
· Saluran kedua digunakan untuk ujian kendiri
Penyelesaian rantai isyarat DAQ
Tiada ADC ketepatan pada tapak web ADI yang mempunyai semua ciri ini dan boleh mencapai hingar dan THD yang begitu rendah, dan tiada PGIA yang boleh memberikan hingar dan penggunaan kuasa yang begitu rendah. Walau bagaimanapun, ADI menyediakan penguat ketepatan yang sangat baik dan ADC ketepatan yang boleh digunakan untuk membina rantai isyarat untuk mencapai matlamat.
Untuk membina hingar rendah, herotan rendah dan penggunaan kuasa rendah PGIA, hingar ultra rendah ADA4084-2 atau penguat hanyut sifar ADA4522-2 adalah pilihan yang baik.
Mengenai ADC berketepatan tinggi, 24-bit Σ-Δ ADC AD7768-1 atau 32-bit SAR ADC LTC2500-32 ialah pilihan utama. Mereka menyediakan ODR boleh dikonfigurasikan dan menyepadukan penapis FIR pas rendah rata, sesuai untuk aplikasi DAQ yang berbeza.
Penyelesaian rantai isyarat seismik: ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1
Rajah 2 menunjukkan keseluruhan rantai isyarat. ADA4084-2, ADG658 dan 0.1%RintanganBunyi rendah, THD PGIA rendah boleh dibina, menyediakan sehingga lapan pilihan keuntungan berbeza. AD7768-1 ialah saluran tunggal, penggunaan kuasa rendah, platform THD -120 dB. Ia mempunyai FIR boleh diprogramkan riak rendah, DC hingga 110. 8 kHz penapis digital, dan menggunakan LT6657 sebagai rujukan voltan sumber.
rajah 2. ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1 tambahMCUPenyelesaian rantai isyarat yang ditapis
Apabila AD7768-1 dijalankan dengan ODR sebanyak 1 kSPS, bunyi punca purata kuasa dua ialah 1.76 μV rms; dalam mod penggunaan kuasa rendah, penggunaan kuasa ialah 10 mW. Untuk mencapai hingar 1.0 μV rms terakhir, ia boleh beroperasi pada ODR yang lebih tinggi, seperti 16 kSPS dalam mod kelajuan sederhana. Apabila AD7768-1 berjalan pada frekuensi modulator yang lebih tinggi, ia mempunyai lantai hingar yang lebih rendah (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3) dan penggunaan kuasa yang lebih tinggi. Algoritma penapis FIR lulus rendah rata boleh dilaksanakan dalam perisian MCU untuk menghapuskan hingar lebar jalur yang lebih tinggi dan mengurangkan ODR akhir kepada 1 kSPS. Punca akhir bunyi purata kuasa dua ialah kira-kira satu perempat daripada 3.55μV, atau 0.9μV.
imej 3.Gunakan penapis pos MCU untuk mengimbangi ODR AD7768-1 untuk mencapai prestasi hingar sasaran
Sebagai contoh, penapis FIR perisian MCU boleh dibina seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4 untuk mengimbangi prestasi dan kelewatan kumpulan.
Penyelesaian rantai isyarat seismik: ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32
LTC2500-32 ADI ialah SAR ADC 32-bit yang rendah hingar, berkuasa rendah, berprestasi tinggi dengan penapis digital boleh dikonfigurasikan bersepadu. Bunyi rendah penapis digital 32-bit dan output INL yang rendah menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi penerokaan seismologi dan tenaga.
Sumber impedans yang tinggi harus ditampan untuk meminimumkan masa penyelesaian semasa pemerolehan dan mengoptimumkan kelinearan suis kapasitor masukkan SAR ADC. Untuk mendapatkan prestasi terbaik, penguat penimbal harus digunakan untuk memacu input analog LTC2500-32. Mesti mereka bentuk PGIA diskretLitarUntuk memacu LTC2500-32 untuk mencapai hingar rendah dan THD rendah (diperkenalkan di bahagian PGIA).
pelaksanaan PGIA
Spesifikasi utama PGIA litar termasuk:
· Bekalan kuasa: 5 V (minimum)
· AD7768-1 mempunyai penggunaan kuasa 19.7 mW, jadi penggunaan kuasa PGIA litar hendaklah kurang daripada 13. 3 mW, untuk memenuhi sasaran penggunaan kuasa sebanyak 33 mW
· Bunyi: apabila keuntungan = 1, bunyi ialah 0. 178 μV rms, iaitu kira-kira 1/10 daripada AD7768-1. 78 μV rms
Terdapat tiga jenis topologi PGIA:
· PGIA bersepadu
· PGIA diskret dengan penguat instrumentasi bersepadu
· PGIA diskret dengan penguat kendalian
Jadual 1 menyenaraikan PGIA digital ADI. LTC6915 mempunyai IQ paling rendah. Ketumpatan hingar ialah 50 nV/√Hz, dan hingar bersepadu dalam lebar jalur 430 Hz ialah 1.036 μV rms, yang melebihi nilai sasaran 0.178 μV rms. Oleh itu, mengintegrasikan PGIA bukanlah pilihan yang baik.
Jadual 2 menyenaraikan beberapa penguat instrumentasi, termasuk AD8422 dengan 300μA IQ. Bunyi bersepadunya dalam lebar jalur 430 Hz ialah 1.645 μV rms, jadi ia juga bukan pilihan yang baik.
Rajah 4. Peringkat penapis FIR pasca MCU
Rajah 5. Penyelesaian rantai isyarat ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32
Imej 6.LTC2500－32 Bunyi Penapis Jalur Laluan Rata di bawah Pekali Pensampelan Turun Berbeza
Jadual 1. PGIA Digital
Jadual 2.Penguat instrumen
jadual 3. Bunyi rendah, penguat kendalian kuasa rendah
Rajah 7.Rajah blok PGIA diskret
Gunakan penguat operasi untuk membina PGIA diskret
Artikel “Penguat Instrumen Keuntungan Boleh Diprogramkan: Mencari Penguat Terbaik untuk Anda” membincangkan pelbagai PGIA bersepadu dan menyediakan garis panduan yang baik untuk membina PGIA diskret yang memenuhi keperluan khusus2. Rajah 7 menunjukkan gambar rajah blok PGIA diskret litar.
Anda boleh memilih ADG659/ADG658 dengan kapasiti rendah dan bekalan kuasa 5 V.
Untuk penguat operasi, IQ (ketumpatan voltan
Mengenai rintangan keuntungan, pilih rintangan 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω untuk merealisasikan keuntungan 1/4/16/64. Lebih besar rintangan, bunyi boleh meningkat, dan lebih kecil rintangan, lebih banyak penggunaan kuasa diperlukan. Jika konfigurasi keuntungan lain diperlukan, perintang mesti dipilih dengan teliti untuk memastikan ketepatan perolehan.
ADC input pembezaan bertindak sebagai penolakan. CMRR ADC lebih besar daripada 100 dB, yang boleh memenuhi keperluan sistem.
Simulasi bunyi
Anda boleh menggunakan LTspice? untuk mensimulasikan prestasi hingar bagi PGIA diskret. Jalur lebar hingar bersepadu ialah 430 Hz. Jadual 4 menunjukkan keputusan simulasi hingar bagi dua PGIA dan AD7768-1 yang berbeza. Penyelesaian ADA4084 mempunyai prestasi hingar yang lebih baik, terutamanya pada keuntungan tinggi.
Jadual 4.Hasil simulasi hingar
Pampasan dalam gelung litar memacu LTC2500－32
AD7768-1 menyepadukan penguat pra-cas untuk mengurangkan keperluan pemacu. Untuk SAR ADC, seperti LTC2500-32, biasanya disyorkan untuk menggunakan penguat berkelajuan tinggi sebagai pemacu. Dalam aplikasi DAQ ini, keperluan lebar jalur adalah sangat rendah. Untuk memacu LTC2500-32, adalah disyorkan untuk menggunakan pampasan dalam gelung litar terdiri daripada penguat ketepatan (ADA4084-2). Rajah 8 menunjukkan pampasan dalam gelung PGIA yang digunakan untuk memacu LTC2500-32. PGIA mempunyai ciri-ciri berikut:
· Komponen utama R22/C14/R30/C5 dan R27/C6/R31/C3 digunakan untuk meningkatkan kestabilan pampasan litar dalam gelung.
· Menggunakan ADG659, A1/A0 = 00, keuntungan = 1, laluan maklum balas penguat atas ialah keluaran penguat? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP — MASUK.
· Menggunakan ADG659, A1/A0 = 11, keuntungan = 64, laluan maklum balas penguat atas ialah keluaran penguat? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP — MASUK.
PGIA disambungkan kepada LTC2500-32EVB untuk mengesahkan prestasi. Eksperimen dengan nilai komponen pasif yang berbeza (R22/C14/R30/C5 dan R27/C6/R31/C3) untuk mencapai prestasi THD dan hingar yang lebih baik di bawah keuntungan yang berbeza (1/4/16/64). Nilai komponen akhir ialah: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Apabila keuntungan di bawah PGIA ialah 1, lebar jalur 3 dB yang diukur ialah kira-kira 16 kHz.
Rajah 8. PGIA memacu LTC2500－32
Tetapan penilaian bangku ujian
Untuk menguji prestasi hingar, THD dan CMRR, papan ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1 yang berasingan dijadikan penyelesaian lengkap. Penyelesaian ini serasi dengan papan penilaian EVAL-AD7768-1, jadi ia boleh antara muka dengan papan kawalan SDP-H1. Oleh itu, anda boleh menggunakan GUI perisian EVAL-AD7768FMCZ untuk mengumpul dan menganalisis data.
Papan ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32 direka sebagai penyelesaian lengkap alternatif.litar papanAntara muka dengan papan kawalan SDP-H1 dan dikawal oleh GUI perisian LTC2500-32FMCZ.
Keuntungan PGIA bagi kedua-dua papan direka untuk menjadi 1/2/4/8/16, yang berbeza daripada yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Jadual 5 menunjukkan keputusan penilaian kedua-dua papan ini.
Rajah 9. Penyelesaian papan penilaian ADA4084-2 PGIA dan AD7768-1
jadual 5. Keputusan ujian penyelesaian rantai isyarat
Rajah 10. FFT papan ADA4084-2 PGIA dan LTC2500-32 apabila keuntungan ialah 1
Kesimpulannya
Untuk aplikasi penerokaan seismologi dan tenaga, untuk mereka bentuk penyelesaian DAQ bunyi yang sangat rendah dan berkuasa rendah, PGIA diskret boleh direka bentuk dengan penguat ketepatan rendah hingar, THD rendah untuk memacu ADC ketepatan resolusi tinggi. Penyelesaian ini boleh mengimbangi bunyi, THD dan ODR secara fleksibel mengikut keperluan kuasa.
· Prestasi hingar rendah LTC2500-32 digabungkan dengan kelebihan ADA4084-2 dan LTC2500-32 menjadikan penyelesaian itu mempamerkan prestasi hingar terbaik tanpa memerlukan penapisan lanjut oleh MCU.
· Apabila keuntungan PGIA = 1, ADA4522-2 dan ADA4084-2 mempunyai prestasi hingar yang baik. Prestasi bunyi adalah kira-kira 0.8 ?V rms.
· ADA4084-2 mempunyai prestasi hingar yang lebih baik pada keuntungan tinggi. Apabila keuntungan = 16, hingar ADA4084-2 dan LTC2500-32 ialah 0.19 μV rms, yang lebih baik daripada 4522 μV rms ADA2-0.25.
· Untuk AD7768-1, dengan bantuan penapisan MCU, penyelesaian ADA4084-2 dan AD7768-1 menunjukkan prestasi hingar yang sama seperti penyelesaian ADA4084-2 dan LTC2500-32.
Penyelesaian pemerolehan data yang dibentangkan dalam artikel ini memerlukan hingar yang rendah dan penggunaan kuasa yang rendah, tetapi lebar jalur adalah terhad. Aplikasi DAQ lain mempunyai keperluan prestasi yang berbeza. Jika penggunaan kuasa rendah tidak diperlukan, penguat operasi berikut boleh digunakan untuk membina PGIA:
· Bunyi paling rendah: LT1124 dan LT1128 boleh dipertimbangkan untuk mendapatkan prestasi bunyi yang terbaik.
· Hanyut terendah: Penguat hanyut sifar baharu ADA4523 mempunyai ciri hingar yang lebih baik daripada ADA4522-2 dan LTC2500-32.
· Arus pincang minimum: Jika rintangan keluaran penderia adalah tinggi, adalah disyorkan untuk menggunakan ADA4625-1.
· Jalur lebar yang lebih tinggi: ADA4807, LTC6226 dan LTC6228 ialah penyelesaian yang baik apabila membina lebar jalur tinggi, hingar rendah PGIA dalam aplikasi DAQ jalur lebar tinggi.
Dalam aplikasi DAQ yang penggunaan bunyi dan kuasa tidak penting, tetapi memerlukan kawasan PCB yang lebih kecil dan integrasi tinggi, PGIA ADA4254 dan LTC6373 bersepadu baharu ADI juga merupakan pilihan yang baik. ADA4254 ialah hanyut sifar, tinggi-voltan, PGIA teguh dengan keuntungan 1/16 hingga ~176, manakala LTC6373 ialah 25 pA IBIAS, 36 V, 0.25 hingga ~16 keuntungan, THD PGIA rendah.
Jadual 6. Jadual Pemilihan Penguat Operasi Ketepatan
Rujukan
1 Geofon. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang dan Erbe D. Reyta. "Fahami asas rangkaian pengesanan isyarat seismik". Dialog Analog, Jilid 53, Isu 4, Disember 2019.
3 Kristina Fortunado. "Penguat Instrumen Keuntungan Boleh Diprogramkan: Cari penguat terbaik untuk anda." Dialog Analog, Jilid 52, Isu 4, Disember 2018.
Mengenai Penulis
David Guo ialah jurutera aplikasi produk dalam Bahagian Produk Linear Peranti Analog. Beliau menyertai Pusat Aplikasi China ADI pada tahun 2007 sebagai jurutera aplikasi, dan kemudian dipindahkan ke jabatan penguat ketepatan sebagai jurutera aplikasi pada Jun 2011. Sejak Januari 2013, David telah berkhidmat sebagai jurutera aplikasi di Bahagian Produk Linear Peranti Analog. Beliau bertanggungjawab untuk sokongan teknikal penguat ketepatan, penguat instrumentasi, penguat berkelajuan tinggi, penguat deria semasa, pengganda, sumber voltan rujukan dan produk RMS-DC. David memegang ijazah sarjana muda dan ijazah sarjana dalam kejuruteraan mekanikal dan elektrik dari Beijing Institute of Teknologi. Hubungi: david. guo@analog. com.
Steven Xie menyertai ADI cawangan Beijing pada Mac 2011 sebagai jurutera aplikasi produk di Pusat Reka Bentuk ADI China. Beliau bertanggungjawab untuk sokongan teknikal produk SAR ADC di pasaran China. Sebelum itu, beliau bekerja sebagai pereka perkakasan dalam bidang stesen pangkalan komunikasi tanpa wayar selama empat tahun. Pada tahun 2007, Steven lulus dari Universiti Aeronautik dan Astronautik Beijing dengan ijazah sarjana dalam komunikasi dan sistem maklumat.