Auteur: ADI David Guo, ingenieur producttoepassing, Steven Xie, ingenieur producttoepassing
Precisie data-acquisitie (DAQ)-systemen zijn erg populair in industriële toepassingen. Sommige DAQ-toepassingen vereisen een laag stroomverbruik en een zeer laag geluidsniveau. Een voorbeeld is de toepassing van seismische sensoren. Uit seismische gegevens kan een grote hoeveelheid informatie worden gehaald. Deze informatie kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals structurele gezondheidsmonitoring, geofysisch onderzoek, aardolie-exploratie en zelfs industriële en huishoudelijke beveiliging.
Vereisten voor DAQ-signaalketen
Geofoons zijn elektromechanische conversieapparaten die grondtrillingssignalen omzetten in elektrische signalen, en zijn geschikt voor seismische verkenning met hoge resolutie. Ze worden langs de array op de grond geïmplanteerd om de tijd te meten die seismische golven nodig hebben om van een onderbroken oppervlak (zoals een vlak) te kaatsen, zoals weergegeven in figuur 1.
figuur 1.Seismische bron en geofoonarray
Om het kleine uitgangssignaal van de geofoon op te vangen, moet een zeer gevoelige DAQ-signaalketen worden geconstrueerd voor gegevensanalyse. De totale rms-ruis moet 1.0 μV rms zijn, het beperkte platte laagdoorlaatbandbreedtebereik is ongeveer 300 Hz tot 400 Hz en de signaalketen moet een THD van ongeveer -120 dB bereiken. Aangezien het seismische instrument wordt gevoed door een batterij, moet het stroomverbruik worden geregeld op ongeveer 30 mW.
Dit artikel introduceert twee signaalketenoplossingen, de bereikte doelen en vereisten zijn als volgt:
· PGIA-winst: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC met geïntegreerd programmeerbaar breedbandfilter
· Wanneer de versterking = 1 (de bandbreedte van -3 dB is 300 Hz tot ongeveer 400 Hz), is de RTI-ruis 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (wanneer versterking = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (wanneer versterking = 1)
· Stroomverbruik (PGIA plus ADC): 33 mW
· Het tweede kanaal wordt gebruikt voor zelftest
DAQ-signaalketenoplossing
Er is geen nauwkeurige ADC op de ADI-website die al deze functies heeft en zo'n lage ruis en THD kan bereiken, en geen PGIA kan zo'n laag ruis- en stroomverbruik bieden. ADI biedt echter uitstekende precisieversterkers en precisie-ADC's die kunnen worden gebruikt om signaalketens te bouwen om doelen te bereiken.
Om PGIA met een laag geluidsniveau, lage vervorming en een laag stroomverbruik te bouwen, zijn de ADA4084-2 met ultralage ruis of de zero-drift-versterker ADA4522-2 goede keuzes.
Wat betreft zeer nauwkeurige ADC's, zijn de 24-bit Σ-Δ ADC AD7768-1 of de 32-bit SAR ADC LTC2500-32 de beste keuzes. Ze bieden configureerbare ODR en integreren platte low-pass FIR-filters, geschikt voor verschillende DAQ-toepassingen.
Seismische signaalketenoplossingen: ADA4084-2 PGIA en AD7768-1
Figuur 2 toont de gehele signaalketen. ADA4084-2, ADG658 en 0.1%WeerstandEr kan een PGIA met weinig ruis en een lage THD worden geconstrueerd, die tot acht verschillende versterkingsopties biedt. AD7768-1 is een enkelkanaals, laag stroomverbruik, -120 dB THD-platform. Het heeft een programmeerbaar FIR, DC tot 110 kHz digitaal filter met lage rimpel, en gebruikt LT8 als referentie spanning bron.
figuur 2. ADA4084-2 PGIA en AD7768-1 plusMCUOplossing voor gefilterde signaalketen
Wanneer AD7768-1 wordt uitgevoerd met een ODR van 1 kSPS, is de kwadratische ruis 1.76 V rms; in de modus laag stroomverbruik is het stroomverbruik 10 mW. Om de uiteindelijke 1.0 μV rms-ruis te bereiken, kan het werken met een hogere ODR, zoals 16 kSPS in de modus met gemiddelde snelheid. Wanneer de AD7768-1 op een hogere modulatorfrequentie draait, heeft deze een lagere ruisvloer (zoals weergegeven in afbeelding 3) en een hoger stroomverbruik. Het platte low-pass FIR-filteralgoritme kan worden geïmplementeerd in MCU-software om ruis met een hogere bandbreedte te elimineren en de uiteindelijke ODR te verminderen tot 1 kSPS. De uiteindelijke kwadratische ruis zal ongeveer een kwart van 3.55μV of 0.9μV zijn.
afbeelding 3. Gebruik het MCU-postfilter om de ODR van AD7768-1 in evenwicht te brengen om de beoogde ruisprestaties te bereiken
Het FIR-filter van de MCU-software kan bijvoorbeeld worden geconstrueerd zoals weergegeven in afbeelding 4 om de prestaties en groepsvertraging in evenwicht te brengen.
Seismische signaalketenoplossingen: ADA4084-2 PGIA en LTC2500-32
De LTC2500-32 van ADI is een geluidsarme, energiezuinige, krachtige 32-bits SAR ADC met geïntegreerd configureerbaar digitaal filter. De lage ruis en de lage INL-uitvoer van het 32-bits digitale filter maken het bijzonder geschikt voor toepassingen op het gebied van seismologie en energie-exploratie.
Bronnen met hoge impedantie moeten worden gebufferd om de bezinkingstijd tijdens de acquisitie te minimaliseren en de lineariteit van de geschakelde bronnen te optimaliseren condensator invoer SAR ADC. Om de beste prestaties te verkrijgen, moet een bufferversterker worden gebruikt om de analoge ingang van de LTC2500-32 aan te sturen. Moet een discrete PGIA ontwerpenCircuitOm de LTC2500-32 aan te sturen om een laag geluidsniveau en een lage THD te bereiken (geïntroduceerd in het PGIA-gedeelte).
PGIA-implementatie
De belangrijkste specificaties van de PGIA circuit omvatten:
· Voeding: 5 V (minimaal)
· AD7768-1 heeft een stroomverbruik van 19.7 mW, dus het stroomverbruik van de PGIA circuit moet minder zijn dan 13 mW om te voldoen aan de doelstelling van 3 mW energieverbruik
· Ruis: wanneer versterking = 1, is de ruis 0. 178 μV rms, wat ongeveer 1/10 van AD7768-1 is. 78 μV rms
Er zijn drie soorten PGIA-topologieën:
· Geïntegreerde PGIA
· Discrete PGIA met geïntegreerde instrumentatieversterker
· Discrete PGIA met operationele versterker
Tabel 1 geeft een overzicht van de digitale PGIA van ADI. De LTC6915 heeft het laagste IQ. De ruisdichtheid is 50 nV/√Hz en de geïntegreerde ruis in de bandbreedte van 430 Hz bedraagt 1.036 μV rms, wat de doelwaarde van 0.178 μV rms overschrijdt. Daarom is het integreren van PGIA geen goede keuze.
Tabel 2 somt verschillende instrumentatieversterkers op, waaronder de AD8422 met 300μA IQ. De geïntegreerde ruis in de bandbreedte van 430 Hz is 1.645 μV rms, dus het is ook geen goede keuze.
Afbeelding 4. MCU na FIR-filterfase
Afbeelding 5. ADA4084-2 PGIA en LTC2500-32 signaalketenoplossing
Afbeelding 6.LTC2500 (32 Flat Passband Filter Noise onder verschillende downsampling-coëfficiënten)
Tabel 1. Digitale PGIA
Tabel 2. Instrumentatieversterker
tabel 3.Low noise, low power operationele versterker;
Afbeelding 7. Discreet PGIA-blokdiagram
Gebruik een operationele versterker om een discrete PGIA te bouwen
Het artikel “Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Finding the Best Amplifier for You” bespreekt verschillende geïntegreerde PGIA's en biedt goede richtlijnen voor het bouwen van discrete PGIA's die voldoen aan specifieke vereisten2. Figuur 7 toont een blokschema van de discrete PGIA circuit.
U kunt kiezen voor ADG659/ADG658 met lage capaciteit en 5 V-voeding.
Voor operationele versterkers, IQ (voltage density
Kies voor de versterkingsweerstand 1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω weerstand om 1/4/16/64 versterking te realiseren. Hoe groter de weerstand, hoe meer ruis kan optreden, en hoe kleiner de weerstand, hoe meer stroomverbruik er nodig is. Als andere versterkingsconfiguraties vereist zijn, moeten weerstanden zorgvuldig worden geselecteerd om de nauwkeurigheid van de versterking te garanderen.
De differentiële ingangs-ADC fungeert als aftrekker. De CMRR van de ADC is groter dan 100 dB, wat aan de systeemvereisten kan voldoen.
Ruissimulatie
Kun je LTspice gebruiken? om de ruisprestaties van een discrete PGIA te simuleren. De geïntegreerde ruisbandbreedte bedraagt 430 Hz. Tabel 4 toont de resultaten van de geluidssimulatie van twee verschillende PGIA's en AD7768-1. De ADA4084-oplossing heeft betere geluidsprestaties, vooral bij hoge versterkingen.
Tabel 4.Geluidssimulatieresultaten
Compensatie in de lus circuit rijdt LTC2500-32
AD7768-1 integreert een pre-charge versterker om de aandrijfvereisten te verminderen. Voor SAR ADC's, zoals LTC2500-32, wordt over het algemeen aanbevolen om een high-speed versterker als driver te gebruiken. In deze DAQ-toepassing is de vereiste bandbreedte erg laag. Om de LTC2500-32 aan te sturen, wordt aanbevolen om een in-loop compensatie te gebruiken circuit samengesteld uit een precisieversterker (ADA4084-2). Afbeelding 8 toont de in-loop compensatie PGIA die wordt gebruikt om de LTC2500-32 aan te drijven. De PGIA heeft de volgende kenmerken:
· De belangrijkste componenten van R22/C14/R30/C5 en R27/C6/R31/C3 worden gebruikt om de stabiliteit van de compensatie te verbeteren circuit in de lus.
· Met behulp van ADG659, A1/A0 = 00, gain = 1, is het feedbackpad van de bovenste versterker de versterkeruitgang? R22? € 30? S1A? DA? R6? AMP-IN.
· Met behulp van ADG659, A1/A0 = 11, gain = 64, is het feedbackpad van de bovenste versterker de versterkeruitgang? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP-IN.
PGIA is verbonden met LTC2500-32EVB om de prestaties te verifiëren. Experimenteer met verschillende passieve componenten (R22/C14/R30/C5 en R27/C6/R31/C3) waarden om betere THD- en ruisprestaties te bereiken onder verschillende versterkingen (1/4/16/64). De uiteindelijke componentwaarden zijn: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. Wanneer de versterking onder PGIA 1 is, is de gemeten bandbreedte van 3 dB ongeveer 16 kHz.
Figuur 8. PGIA-drives LTC2500-32
Evaluatie-instellingen testbank
Om de prestaties van ruis, THD en CMRR te testen, worden afzonderlijke ADA4084-2 PGIA- en AD7768-1-kaarten tot een complete oplossing gemaakt. Deze oplossing is compatibel met de evaluatiekaart EVAL-AD7768-1, zodat deze kan worden gekoppeld aan de besturingskaart SDP-H1. Daarom kunt u de EVAL-AD7768FMCZ-software-GUI gebruiken om gegevens te verzamelen en te analyseren.
De ADA4084-2 PGIA- en LTC2500-32-kaarten zijn ontworpen als alternatieve complete oplossingen.circuit boordInterface met SDP-H1-besturingskaart en bestuurd door LTC2500-32FMCZ-software-GUI.
De PGIA-versterking van de twee boards is ontworpen om 1/2/4/8/16 te zijn, wat anders is dan die getoond in figuur 8. Tabel 5 toont de evaluatieresultaten van deze twee boards.
Afbeelding 9. ADA4084-2 PGIA en AD7768-1 evaluatiekaartoplossing
tabel 5.Signaal testresultaten ketenoplossing:
Afbeelding 10. FFT van de ADA4084-2 PGIA- en LTC2500-32-kaarten wanneer de versterking 1 is
tot slot
Voor seismologie- en energie-exploratietoepassingen kan een discrete PGIA worden ontworpen met een ruisarme, lage THD-precisieversterker om een nauwkeurige ADC met hoge resolutie aan te sturen, om een zeer ruisarme en energiezuinige DAQ-oplossing te ontwerpen. Deze oplossing kan ruis, THD en ODR flexibel afstemmen op de stroomvereisten.
· De geluidsarme prestaties van LTC2500-32 gecombineerd met de voordelen van ADA4084-2 en LTC2500-32 zorgen ervoor dat de oplossing de beste ruisprestaties vertoont zonder dat verdere filtering door de MCU nodig is.
· Wanneer PGIA-versterking = 1, hebben ADA4522-2 en ADA4084-2 goede ruisprestaties. De ruisprestatie is ongeveer 0.8 ?V rms.
· ADA4084-2 heeft betere ruisprestaties bij hoge versterking. Wanneer gain = 16, is de ruis van ADA4084-2 en LTC2500-32 0.19 V rms, wat beter is dan de 4522 μV rms van ADA2-0.25.
· Voor AD7768-1 vertonen de ADA4084-2- en AD7768-1-oplossingen met behulp van MCU-filtering vergelijkbare ruisprestaties als de ADA4084-2- en LTC2500-32-oplossingen.
De data-acquisitie-oplossing die in dit artikel wordt gepresenteerd, vereist een laag geluidsniveau en een laag stroomverbruik, maar de bandbreedte is beperkt. Andere DAQ-toepassingen hebben andere prestatie-eisen. Als een laag stroomverbruik niet nodig is, kunnen de volgende operationele versterkers worden gebruikt om PGIA te bouwen:
· Laagste ruis: LT1124 en LT1128 kunnen worden beschouwd als de beste ruisprestaties.
· Laagste drift: de nieuwe zero-drift versterker ADA4523 heeft betere ruiseigenschappen dan ADA4522-2 en LTC2500-32.
· Minimale biasstroom: Als de uitgangsweerstand van de sensor hoog is, wordt aanbevolen om ADA4625-1 te gebruiken.
· Hogere bandbreedte: ADA4807, LTC6226 en LTC6228 zijn goede oplossingen bij het bouwen van PGIA met hoge bandbreedte en weinig ruis in DAQ-toepassingen met hoge bandbreedte.
In DAQ-toepassingen waar ruis en stroomverbruik niet belangrijk zijn, maar een kleiner PCB-oppervlak en hoge integratie vereisen, zijn ADI's nieuwe geïntegreerde PGIA ADA4254 en LTC6373 ook goede keuzes. De ADA4254 is een driftvrij, high-spanning, robuuste PGIA met een versterking van 1/16 tot ~176, terwijl de LTC6373 een 25 pA IBIAS, 36 V, 0.25 tot ~16 versterking, lage THD PGIA is.
Tabel 6. Selectietabel voor precisie-operationele versterker
Referentie
1 geofoon. WetenschapDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang en Erbe D. Reyta. "Begrijp de basisprincipes van seismische signaaldetectienetwerken". Analoge dialoog, deel 53, nummer 4, december 2019.
3 Kristina Fortunado. "Programmable Gain Instrumentation Amplifier: Vind de beste versterker voor u." Analoge dialoog, deel 52, nummer 4, december 2018.
Over de auteur
David Guo is productapplicatie-ingenieur bij de Linear Products Division van Analog Devices. Hij trad in 2007 in dienst bij het China Application Center van ADI als applicatie-ingenieur en stapte vervolgens in juni 2011 over naar de afdeling precisieversterkers als applicatie-ingenieur. Sinds januari 2013 werkt David als applicatie-ingenieur bij de Linear Products Division van Analog Devices. Hij is verantwoordelijk voor de technische ondersteuning van precisieversterkers, instrumentatieversterkers, hogesnelheidsversterkers, current sense-versterkers, vermenigvuldigers, referentiespanningsbronnen en RMS-DC-producten. David heeft een bachelordiploma en een masterdiploma in werktuigbouwkunde en elektrotechniek behaald aan het Beijing Institute of Technologie. Contactpersoon: David. guo@analoog. com.
Steven Xie trad in maart 2011 in dienst bij de ADI Beijing-vestiging als productapplicatie-ingenieur bij het ADI China Design Center. Hij is verantwoordelijk voor de technische ondersteuning van SAR ADC-producten op de Chinese markt. Daarvoor werkte hij vier jaar als hardwareontwerper op het gebied van draadloze communicatiebasisstations. In 2007 studeerde Steven af aan de Beijing University of Aeronautics and Astronautics met een masterdiploma in communicatie- en informatiesystemen.