Autor: ADI David Guo, Engenheiro de Aplicação de Produto, Steven Xie, Engenheiro de Aplicação de Produto
Os sistemas de aquisição de dados de precisão (DAQ) são muito populares em aplicações industriais. Alguns aplicativos DAQ requerem baixo consumo de energia e ruído ultrabaixo. Um exemplo é a aplicação de sensores sísmicos. Uma grande quantidade de informações pode ser extraída de dados sísmicos. Essas informações podem ser usadas em uma ampla gama de aplicações, como monitoramento de saúde estrutural, pesquisa geofísica, exploração de petróleo e até mesmo segurança industrial e doméstica.
Requisitos de cadeia de sinal DAQ
Geofones são dispositivos de conversão eletromecânicos que convertem sinais de vibração do solo em sinais elétricos e são adequados para exploração sísmica de alta resolução. Eles são implantados no solo ao longo da matriz para medir o tempo que leva para as ondas sísmicas ricochetearem em uma superfície descontínua (como um plano), conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1. Fonte sísmica e matriz de geofones
Para capturar o pequeno sinal de saída do geofone, uma cadeia de sinal DAQ de alta sensibilidade deve ser construída para análise de dados. O ruído rms total deve ser de 1.0 μV rms, a faixa de largura de banda plana de passagem baixa limitada é de cerca de 300 Hz a 400 Hz e a cadeia de sinal deve atingir um THD de cerca de -120 dB. Como o instrumento sísmico é alimentado por bateria, o consumo de energia deve ser controlado em cerca de 30 mW.
Este artigo apresenta duas soluções de cadeia de sinal, os objetivos e requisitos alcançados são os seguintes:
· Ganho PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC com filtro de banda larga programável integrado
· Quando o ganho = 1 (a largura de banda de -3 dB é de 300 Hz a cerca de 400 Hz), o ruído RTI é de 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (quando ganho = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (quando ganho = 1)
· Consumo de energia (PGIA mais ADC): 33 mW
· O segundo canal é usado para autoteste
Solução de cadeia de sinal DAQ
Não há ADC de precisão no site da ADI que tenha todos esses recursos e possa alcançar baixo nível de ruído e THD, e nenhum PGIA pode fornecer tal baixo ruído e consumo de energia. No entanto, o ADI fornece amplificadores de precisão excelentes e ADCs de precisão que podem ser usados para construir cadeias de sinal para atingir os objetivos.
A fim de construir baixo ruído, baixa distorção e baixo consumo de energia PGIA, ruído ultrabaixo ADA4084-2 ou amplificador de desvio zero ADA4522-2 são boas escolhas.
Com relação aos ADCs de altíssima precisão, o Σ-Δ ADC AD24-7768 de 1 bits ou o SAR ADC LTC32-2500 de 32 bits são as escolhas principais. Eles fornecem ODR configurável e integram filtros FIR passa-baixa simples, adequados para diferentes aplicações DAQ.
Soluções de cadeia de sinal sísmico: ADA4084-2 PGIA e AD7768-1
A Figura 2 mostra toda a cadeia de sinal. ADA4084-2, ADG658 e 0.1%resistênciaBaixo ruído e baixo THD PGIA podem ser construídos, fornecendo até oito opções de ganho diferentes. AD7768-1 é uma plataforma de canal único, baixo consumo de energia e THD de -120 dB. Ele tem um FIR programável de baixa ondulação, DC a 110. filtro digital de 8 kHz e usa LT6657 como referência Voltagem fonte.
figura 2. ADA4084-2 PGIA e AD7768-1 plusMCUSolução de cadeia de sinal filtrada
Quando AD7768-1 é executado com ODR de 1 kSPS, a raiz quadrada do ruído médio é 1.76 μV rms; no modo de baixo consumo de energia, o consumo de energia é de 10 mW. Para atingir o ruído final de 1.0 μV rms, ele pode operar a um ODR mais alto, como 16 kSPS no modo de velocidade média. Quando o AD7768-1 é executado em uma frequência de modulador mais alta, ele tem um piso de ruído mais baixo (conforme mostrado na Figura 3) e maior consumo de energia. O algoritmo de filtro FIR de passagem baixa plana pode ser implementado no software MCU para eliminar o ruído de largura de banda mais alto e reduzir o ODR final para 1 kSPS. O ruído quadrático médio final será de cerca de um quarto de 3.55 μV, ou 0.9 μV.
imagem 3. Use o pós-filtro MCU para equilibrar o ODR de AD7768-1 para atingir o desempenho de ruído alvo
Como exemplo, o filtro FIR do software MCU pode ser construído conforme mostrado na Figura 4 para equilibrar o desempenho e o atraso do grupo.
Soluções de cadeia de sinal sísmico: ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32
O LTC2500-32 da ADI é um ADC SAR de 32 bits de baixo ruído, baixa potência e alto desempenho com filtro digital configurável integrado. O baixo ruído do filtro digital de 32 bits e a saída INL baixa tornam-no particularmente adequado para aplicações de sismologia e exploração de energia.
Fontes de alta impedância devem ser armazenadas em buffer para minimizar o tempo de estabilização durante a aquisição e otimizar a linearidade do sinal comutado. capacitor entrada SAR ADC. Para obter o melhor desempenho, um amplificador buffer deve ser usado para acionar a entrada analógica do LTC2500-32. Deve projetar um PGIA discreto CircuitoPara conduzir LTC2500-32 para atingir baixo ruído e baixo THD (introduzido na parte PGIA).
Implementação PGIA
As principais especificações da PGIA o circuito incluem:
· Fonte de alimentação: 5 V (mínimo)
· O AD7768-1 tem um consumo de energia de 19.7 mW, portanto, o consumo de energia do PGIA o circuito deve ser inferior a 13 mW, a fim de atender à meta de consumo de energia de 3 mW
· Ruído: quando o ganho = 1, o ruído é 0 μV rms, que é cerca de 178/1 de AD10-7768. 1 μV rms
Existem três tipos de topologias PGIA:
· PGIA integrado
· PGIA discreto com amplificador de instrumentação integrado
· PGIA discreto com amplificador operacional
A Tabela 1 lista a PGIA digital da ADI. O LTC6915 tem o QI mais baixo. A densidade de ruído é 50 nV / √Hz, e o ruído integrado na largura de banda de 430 Hz é 1.036 μV rms, que excede o valor alvo de 0.178 μV rms. Portanto, integrar PGIA não é uma boa escolha.
A Tabela 2 lista vários amplificadores de instrumentação, incluindo o AD8422 com 300μA IQ. Seu ruído integrado na largura de banda de 430 Hz é de 1.645 μV rms, portanto também não é uma boa escolha.
Figura 4. Estágio de filtro FIR pós-MCU
Figura 5. Solução de cadeia de sinal ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32
Imagem 6.LTC2500－32 Ruído de filtro de banda passante plana sob diferentes coeficientes de redução da amostragem
Tabela 1. Digital PGIA
Tabela 2. Amplificador de instrumentação
tabela 3. Baixo ruído, amplificador operacional de baixa potência
Figura 7. Diagrama de blocos discreto de PGIA
Use um amplificador operacional para construir um PGIA discreto
O artigo “Amplificador de Instrumentação de Ganho Programável: Encontrando o Melhor Amplificador para Você” discute vários PGIAs integrados e fornece boas diretrizes para a construção de PGIAs discretos que atendem a requisitos específicos2. A Figura 7 mostra um diagrama de blocos do PGIA discreto o circuito.
Você pode escolher ADG659 / ADG658 com baixa capacitância e fonte de alimentação de 5 V.
Para amplificadores operacionais, IQ (densidade de tensão
Quanto à resistência de ganho, escolha resistência de 1.2 kΩ / 300Ω / 75Ω / 25Ω para obter ganho de 1/4/16/64. Quanto maior a resistência, o ruído pode aumentar, e quanto menor a resistência, maior o consumo de energia necessário. Se outras configurações de ganho forem necessárias, os resistores devem ser selecionados cuidadosamente para garantir a precisão do ganho.
A entrada diferencial ADC atua como um subtrator. O CMRR do ADC é maior que 100 dB, o que pode atender aos requisitos do sistema.
Simulação de ruído
Você pode usar o LTspice? para simular o desempenho de ruído de um PGIA discreto. A largura de banda de ruído integrada é 430 Hz. A Tabela 4 mostra os resultados da simulação de ruído de dois PGIAs e AD7768-1 diferentes. A solução ADA4084 tem melhor desempenho de ruído, especialmente em altos ganhos.
Tabela 4. Resultados da simulação de ruído
Compensação em loop o circuito unidades LTC2500－32
O AD7768-1 integra um amplificador de pré-carga para reduzir os requisitos de acionamento. Para ADCs SAR, como LTC2500-32, geralmente é recomendado usar um amplificador de alta velocidade como driver. Neste aplicativo DAQ, o requisito de largura de banda é muito baixo. Para conduzir o LTC2500-32, recomenda-se usar uma compensação em loop o circuito composto por um amplificador de precisão (ADA4084-2). A Figura 8 mostra o PGIA de compensação em loop usado para acionar o LTC2500-32. O PGIA tem as seguintes características:
· Os principais componentes de R22/C14/R30/C5 e R27/C6/R31/C3 são usados para melhorar a estabilidade da compensação o circuito no loop.
· Usando ADG659, A1 / A0 = 00, ganho = 1, o caminho de feedback do amplificador superior é a saída do amplificador? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP - IN.
· Usando ADG659, A1 / A0 = 11, ganho = 64, o caminho de feedback do amplificador superior é a saída do amplificador? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP - IN.
PGIA é conectado ao LTC2500-32EVB para verificar o desempenho. Experimente diferentes valores de componentes passivos (R22 / C14 / R30 / C5 e R27 / C6 / R31 / C3) para obter um melhor THD e desempenho de ruído com ganhos diferentes (1/4/16/64). Os valores dos componentes finais são: R22 / R27 = 100 Ω, C14 / C6 = 1 nF, R30 / R31 = 1.2 kΩ, C3 / C5 = 0.22? F. Quando o ganho abaixo de PGIA é 1, a largura de banda medida de 3 dB é de cerca de 16 kHz.
Figura 8. PGIA drives LTC2500－32
Configurações de avaliação da bancada de teste
Para testar o desempenho do ruído, THD e CMRR, placas ADA4084-2 PGIA e AD7768-1 separadas são feitas em uma solução completa. Esta solução é compatível com a placa de avaliação EVAL-AD7768-1, podendo fazer interface com a placa de controle SDP-H1. Portanto, você pode usar a GUI do software EVAL-AD7768FMCZ para coletar e analisar dados.
As placas ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32 são projetadas como soluções alternativas completas.o circuito bordaInterface com placa de controle SDP-H1 e controlada pela GUI do software LTC2500-32FMCZ.
O ganho PGIA das duas placas é projetado para ser 1/2/4/8/16, que é diferente daquele mostrado na Figura 8. A Tabela 5 mostra os resultados da avaliação dessas duas placas.
Figura 9. Solução de placa de avaliação ADA4084-2 PGIA e AD7768-1
tabela 5. Resultados do teste de solução de cadeia de sinal
Figura 10. FFT das placas ADA4084-2 PGIA e LTC2500-32 quando o ganho é 1
Em conclusão
Para aplicações de sismologia e exploração de energia, a fim de projetar uma solução DAQ de muito baixo ruído e baixa potência, um PGIA discreto pode ser projetado com um amplificador de precisão de baixo ruído e baixo THD para acionar um ADC de precisão de alta resolução. Esta solução pode equilibrar de forma flexível o ruído, THD e ODR de acordo com os requisitos de energia.
· O desempenho de baixo ruído do LTC2500-32 combinado com as vantagens do ADA4084-2 e LTC2500-32 faz com que a solução exiba o melhor desempenho de ruído sem a necessidade de filtragem adicional pelo MCU.
· Quando o ganho PGIA = 1, ADA4522-2 e ADA4084-2 apresentam bom desempenho de ruído. O desempenho de ruído é de cerca de 0.8 V rms.
· ADA4084-2 tem melhor desempenho de ruído em alto ganho. Quando o ganho = 16, o ruído de ADA4084-2 e LTC2500-32 é 0.19 μV rms, que é melhor do que 4522 μV rms de ADA2-0.25.
· Para AD7768-1, com a ajuda da filtragem MCU, as soluções ADA4084-2 e AD7768-1 apresentam desempenho de ruído semelhante às soluções ADA4084-2 e LTC2500-32.
A solução de aquisição de dados apresentada neste artigo requer baixo ruído e baixo consumo de energia, mas a largura de banda é limitada. Outros aplicativos DAQ têm requisitos de desempenho diferentes. Se o baixo consumo de energia não for necessário, os seguintes amplificadores operacionais podem ser usados para construir PGIA:
· Menor ruído: LT1124 e LT1128 podem ser considerados para obter o melhor desempenho de ruído.
· Desvio mais baixo: O novo amplificador de desvio zero ADA4523 tem melhores características de ruído do que ADA4522-2 e LTC2500-32.
· Corrente de polarização mínima: Se a resistência de saída do sensor for alta, é recomendado usar ADA4625-1.
· Largura de banda mais alta: ADA4807, LTC6226 e LTC6228 são boas soluções ao construir alta largura de banda, PGIA de baixo ruído em aplicações DAQ de alta largura de banda.
Em aplicações DAQ onde ruído e consumo de energia não são importantes, mas requerem menor área de PCB e alta integração, os novos PGIA ADA4254 e LTC6373 integrados da ADI também são boas escolhas. O ADA4254 é um zero-drift, altoVoltagem, PGIA robusto com um ganho de 1/16 a ~176, enquanto o LTC6373 é um IBIAS de 25 pA, 36 V, ganho de 0.25 a ~16, baixo THD PGIA.
Tabela 6. Tabela de Seleção de Amplificador Operacional de Precisão
Referência
1 geofone. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang e Erbe D. Reyta. “Compreender os fundamentos das redes de detecção de sinais sísmicos”. Diálogo analógico, Volume 53, Edição 4, dezembro de 2019.
3 Kristina Fortunado. “Amplificador de Instrumentação de Ganho Programável: Encontre o melhor amplificador para você.” Diálogo analógico, Volume 52, Edição 4, dezembro de 2018.
Sobre o autor
David Guo é engenheiro de aplicações de produtos na Divisão de Produtos Lineares de Dispositivos Analógicos. Ele ingressou no Centro de Aplicação da ADI na China em 2007 como engenheiro de aplicação e depois foi transferido para o departamento de amplificadores de precisão como engenheiro de aplicação em junho de 2011. Desde janeiro de 2013, David atua como engenheiro de aplicação na Divisão de Produtos Lineares de Dispositivos Analógicos. Ele é responsável pelo suporte técnico de amplificadores de precisão, amplificadores de instrumentação, amplificadores de alta velocidade, amplificadores de detecção de corrente, multiplicadores, fontes de tensão de referência e produtos RMS-DC. David é bacharel e mestre em engenharia mecânica e elétrica pelo Instituto de Pequim de Equipar. Contato: Davi. guo@analógico. com.
Steven Xie ingressou na filial da ADI em Pequim em março de 2011 como engenheiro de aplicação de produto no ADI China Design Center. Ele é responsável pelo suporte técnico dos produtos SAR ADC no mercado chinês. Antes disso, ele trabalhou como designer de hardware na área de estações rádio-base de comunicação sem fio por quatro anos. Em 2007, Steven se formou na Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim com mestrado em sistemas de comunicação e informação.