Автор: ADI Дэвид Го, инженер по применению продукта, Стивен Се, инженер по применению продукта
Системы прецизионного сбора данных (DAQ) очень популярны в промышленных приложениях. Некоторые DAQ-приложения требуют низкого энергопотребления и сверхмалого шума. Примером может служить применение сейсмических датчиков. Из сейсмических данных можно извлечь большой объем информации. Эта информация может использоваться в широком спектре приложений, таких как мониторинг состояния конструкций, геофизические исследования, разведка нефтяных месторождений и даже промышленная и бытовая безопасность.
Требования к сигнальной цепи DAQ
Геофоны - это электромеханические устройства преобразования, которые преобразуют сигналы вибрации земли в электрические сигналы и подходят для сейсмической разведки с высоким разрешением. Они имплантируются на землю вдоль массива для измерения времени, за которое сейсмические волны отражаются от прерывистой поверхности (например, плоскости), как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Сейсмический источник и группа геофонов
Чтобы уловить небольшой выходной сигнал геофона, для анализа данных должна быть построена высокочувствительная сигнальная цепочка DAQ. Общий среднеквадратичный шум должен составлять 1.0 мкВ среднекв., Ограниченный диапазон плоской полосы нижних частот составляет примерно от 300 Гц до 400 Гц, а коэффициент нелинейных искажений в цепи сигнала должен составлять около -120 дБ. Поскольку сейсмический инструмент питается от батареи, потребляемая мощность должна составлять около 30 мВт.
В этой статье представлены два решения для сигнальной цепи, цели и достигнутые требования заключаются в следующем:
· Прирост PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· АЦП со встроенным программируемым широкополосным фильтром
· Когда коэффициент усиления = 1 (полоса пропускания -3 дБ составляет от 300 Гц до примерно 400 Гц), шум RTI составляет 1.0 мкВ среднеквадратичного значения.
· THD: -120 дБ (при усилении = 1)
· CMRR ＞ 100 дБ (при усилении = 1)
· Потребляемая мощность (PGIA плюс ADC): 33 мВт
· Второй канал используется для самотестирования.
Решение для цепочки сигналов DAQ
На веб-сайте ADI нет точного АЦП, который обладал бы всеми этими функциями и мог бы обеспечить такой низкий уровень шума и THD, и ни один PGIA не может обеспечить такой низкий уровень шума и энергопотребления. Однако ADI предоставляет превосходные прецизионные усилители и прецизионные АЦП, которые можно использовать для построения сигнальных цепей для достижения поставленных целей.
Чтобы создать PGIA с низким уровнем шума, искажений и энергопотребления, хорошим выбором являются сверхмалошумящий ADA4084-2 или усилитель с нулевым дрейфом ADA4522-2.
Что касается высокоточных АЦП, наилучшим выбором являются 24-битный Σ-Δ АЦП AD7768-1 или 32-битный АЦП последовательного приближения LTC2500-32. Они обеспечивают настраиваемый ODR и интегрируют плоские КИХ-фильтры нижних частот, подходящие для различных приложений сбора данных.
Решения для цепей сейсмических сигналов: ADA4084-2 PGIA и AD7768-1
На рисунке 2 показана вся сигнальная цепочка. ADA4084-2, ADG658 и 0.1%сопротивлениеМожет быть сконструирован PGIA с низким уровнем шума и низким коэффициентом нелинейных искажений, обеспечивающий до восьми различных вариантов усиления. AD7768-1 - это одноканальная платформа с низким энергопотреблением и коэффициентом нелинейных искажений -120 дБ. Он имеет программируемый КИХ с низким уровнем пульсаций, цифровой фильтр от 110 до 8 кГц и использует LT6657 в качестве эталона. напряжение источник.
Рисунок 2. ADA4084-2 PGIA и AD7768-1 plusMCUРешение для цепочки фильтрованных сигналов
Когда AD7768-1 работает с ODR, равным 1 kSPS, среднеквадратичный шум составляет 1.76 мкВ rms; в режиме низкого энергопотребления потребляемая мощность составляет 10 мВт. Чтобы достичь конечного среднеквадратичного шума 1.0 мкВ, он может работать с более высоким ODR, например 16 kSPS в среднескоростном режиме. Когда AD7768-1 работает на более высокой частоте модулятора, он имеет более низкий уровень шума (как показано на рисунке 3) и более высокое энергопотребление. Алгоритм плоского КИХ-фильтра нижних частот может быть реализован в программном обеспечении MCU для устранения шума более высокой полосы пропускания и уменьшения конечного ODR до 1 kSPS. Окончательный среднеквадратичный шум составит около четверти 3.55 мкВ или 0.9 мкВ.
image 3. С помощью постфильтра MCU сбалансируйте ODR AD7768-1 для достижения целевого уровня шума.
Например, программный КИХ-фильтр микроконтроллера может быть сконструирован, как показано на рисунке 4, для уравновешивания производительности и групповой задержки.
Решения для цепей сейсмических сигналов: ADA4084-2 PGIA и LTC2500-32
ADI LTC2500-32 - это малошумящий, малопотребляющий, высокопроизводительный 32-разрядный АЦП последовательного приближения со встроенным настраиваемым цифровым фильтром. Низкий уровень шума и выходной сигнал INL 32-битного цифрового фильтра делают его особенно подходящим для приложений сейсмологии и разведки энергии.
Источники с высоким импедансом должны быть буферизованы, чтобы минимизировать время установления во время сбора данных и оптимизировать линейность коммутируемого сигнала. конденсатор входной АЦП SAR. Чтобы получить наилучшие характеристики, для управления аналоговым входом LTC2500-32 следует использовать буферный усилитель. Необходимо разработать дискретный PGIAЦепьУправлять LTC2500-32 для достижения низкого уровня шума и низкого коэффициента нелинейных искажений (введено в части PGIA).
Реализация PGIA
Основные характеристики PGIA схема следующие:
· Электропитание: 5 В (минимум)
· AD7768-1 имеет потребляемую мощность 19.7 мВт, поэтому потребляемая мощность PGIA схема должна быть менее 13 мВт, чтобы соответствовать целевому уровню энергопотребления 3 мВт.
· Шум: при усилении = 1 шум составляет 0 мкВ среднеквадратичного значения, что составляет примерно 178/1 от AD10-7768. 1 мкВ среднекв.
Есть три типа топологий PGIA:
· Интегрированный PGIA
· Дискретный PGIA со встроенным инструментальным усилителем
· Дискретный PGIA с операционным усилителем
В таблице 1 перечислены цифровые PGIA ADI. LTC6915 имеет самый низкий IQ. Плотность шума составляет 50 нВ / √Гц, а интегральный шум в полосе пропускания 430 Гц составляет 1.036 мкВ среднеквадратического значения, что превышает целевое значение 0.178 мкВ среднеквадратичное значение. Следовательно, интеграция PGIA - не лучший выбор.
В таблице 2 перечислены несколько инструментальных усилителей, включая AD8422 с IQ 300 мкА. Его интегрированный шум в полосе пропускания 430 Гц составляет 1.645 мкВ (среднеквадратичное значение), так что это тоже не лучший выбор.
Рисунок 4. Этап КИХ-фильтра после микроконтроллера.
Рисунок 5. Решение сигнальной цепи ADA4084-2 PGIA и LTC2500-32
Изображение 6.LTC2500－32 Шум фильтра с плоской полосой пропускания при различных коэффициентах понижающей дискретизации
Таблица 1. Цифровой PGIA
Таблица 2 Инструментальный усилитель
Таблица 3. Малошумящий операционный усилитель малой мощности
Рисунок 7 - Блок-схема дискретного PGIA.
Используйте операционный усилитель для создания дискретного PGIA.
В статье «Инструментальный усилитель с программируемым усилением: поиск лучшего усилителя для вас» обсуждаются различные интегрированные PGIA и приводятся хорошие рекомендации по созданию дискретных PGIA, отвечающих конкретным требованиям2. На рис. 7 показана блок-схема дискретного PGIA. схема.
Вы можете выбрать ADG659 / ADG658 с малой емкостью и питанием 5 В.
Для операционных усилителей IQ (плотность напряжения
Что касается сопротивления усиления, выберите сопротивление 1.2 кОм / 300 Ом / 75 Ом / 25 Ом, чтобы получить усиление 1/4/16/64. Чем больше сопротивление, тем больше шум может увеличиться, а чем меньше сопротивление, тем больше потребляемая мощность. Если требуются другие конфигурации усиления, необходимо тщательно выбирать резисторы, чтобы обеспечить точность усиления.
Дифференциальный вход АЦП действует как вычитатель. CMRR АЦП превышает 100 дБ, что соответствует системным требованиям.
Моделирование шума
Вы можете использовать LTspice? для моделирования шумовых характеристик дискретного PGIA. Интегрированная полоса пропускания шума составляет 430 Гц. В таблице 4 показаны результаты моделирования шума двух разных PGIA и AD7768-1. Решение ADA4084 имеет лучшие шумовые характеристики, особенно при высоких коэффициентах усиления.
Таблица 4 Результаты моделирования шума
Компенсация в контуре схема приводы LTC2500－32
В AD7768-1 встроен усилитель предварительной зарядки для снижения требований к приводу. Для АЦП последовательного приближения, таких как LTC2500-32, обычно рекомендуется использовать в качестве драйвера быстродействующий усилитель. В этом приложении сбора данных требования к полосе пропускания очень низкие. Для управления LTC2500-32 рекомендуется использовать внутриконтурную компенсацию. схема состоит из прецизионного усилителя (ADA4084-2). На рис. 8 показан PGIA с внутриконтурной компенсацией, используемый для управления LTC2500-32. PGIA имеет следующие характеристики:
· Ключевые компоненты R22/C14/R30/C5 и R27/C6/R31/C3 используются для повышения стабильности компенсации. схема в петле.
· При использовании ADG659, A1 / A0 = 00, усиление = 1, трактом обратной связи верхнего усилителя является выход усилителя? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP - IN.
· При использовании ADG659, A1 / A0 = 11, усиление = 64, цепь обратной связи верхнего усилителя является выходом усилителя? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP - IN.
PGIA подключается к LTC2500-32EVB для проверки производительности. Поэкспериментируйте с различными значениями пассивных компонентов (R22 / C14 / R30 / C5 и R27 / C6 / R31 / C3), чтобы добиться лучших THD и шумовых характеристик при различных коэффициентах усиления (1/4/16/64). Окончательные значения компонентов: R22 / R27 = 100 Ом, C14 / C6 = 1 нФ, R30 / R31 = 1.2 кОм, C3 / C5 = 0.22 мкФ. Когда коэффициент усиления ниже PGIA равен 1, измеренная полоса пропускания 3 дБ составляет около 16 кГц.
Рисунок 8. Накопители PGIA LTC2500－32
Настройки оценки испытательного стенда
Чтобы проверить характеристики шума, THD и CMRR, отдельные платы ADA4084-2 PGIA и AD7768-1 объединены в единое решение. Это решение совместимо с оценочной платой EVAL-AD7768-1, поэтому оно может взаимодействовать с платой управления SDP-H1. Таким образом, вы можете использовать графический интерфейс программного обеспечения EVAL-AD7768FMCZ для сбора и анализа данных.
Платы ADA4084-2 PGIA и LTC2500-32 разработаны как альтернативные комплексные решения.схема доскаИнтерфейс с платой управления SDP-H1 и управление с помощью графического интерфейса программного обеспечения LTC2500-32FMCZ.
Коэффициент усиления PGIA двух плат рассчитан на 1/2/4/8/16, что отличается от показанного на рисунке 8. В таблице 5 показаны результаты оценки этих двух плат.
Рис. 9. Оценочная плата ADA4084-2 PGIA и AD7768-1.
Таблица 5 Результаты тестирования решения сигнальной цепи
Рисунок 10. БПФ плат ADA4084-2 PGIA и LTC2500-32 при усилении 1
в заключение
Для приложений в сейсмологии и разведке энергоресурсов, чтобы разработать решение сбора данных с очень низким уровнем шума и энергопотребления, дискретный PGIA может быть разработан с малошумящим прецизионным усилителем с низким коэффициентом нелинейных искажений для управления прецизионным АЦП с высоким разрешением. Это решение может гибко сбалансировать шум, THD и ODR в соответствии с требованиями к питанию.
· Низкий уровень шума LTC2500-32 в сочетании с преимуществами ADA4084-2 и LTC2500-32 позволяет этому решению демонстрировать наилучшие шумовые характеристики без необходимости дополнительной фильтрации с помощью микроконтроллера.
· Когда усиление PGIA = 1, ADA4522-2 и ADA4084-2 имеют хорошие шумовые характеристики. Шумовая характеристика составляет около 0.8 мкВ (среднеквадратичное значение).
· ADA4084-2 имеет лучшие шумовые характеристики при высоком усилении. При усилении = 16 шум ADA4084-2 и LTC2500-32 составляет 0.19 мкВ среднеквадратического значения, что лучше, чем значение 4522 мкВ среднеквадратического значения для ADA2-0.25.
· Для AD7768-1 с помощью фильтрации MCU решения ADA4084-2 и AD7768-1 показывают такие же шумовые характеристики, что и решения ADA4084-2 и LTC2500-32.
Решение для сбора данных, представленное в этой статье, требует низкого уровня шума и низкого энергопотребления, но полоса пропускания ограничена. Другие приложения DAQ имеют другие требования к производительности. Если низкое энергопотребление не требуется, для построения PGIA можно использовать следующие операционные усилители:
· Самый низкий уровень шума: LT1124 и LT1128 могут считаться лучшими шумовыми характеристиками.
· Самый низкий дрейф: новый усилитель с нулевым дрейфом ADA4523 имеет лучшие шумовые характеристики, чем ADA4522-2 и LTC2500-32.
· Минимальный ток смещения: если выходное сопротивление датчика высокое, рекомендуется использовать ADA4625-1.
· Более высокая полоса пропускания: ADA4807, LTC6226 и LTC6228 - хорошие решения при построении PGIA с высокой пропускной способностью и низким уровнем шума в приложениях сбора данных с высокой пропускной способностью.
В приложениях сбора данных, где шум и энергопотребление не важны, но требуют меньшей площади печатной платы и высокой интеграции, новые интегрированные PGIA ADA4254 и LTC6373 от ADI также являются хорошим выбором. ADA4254 — это высокопроизводительный преобразователь с нулевым дрейфом.напряжение, надежный PGIA с усилением от 1/16 до ~ 176, в то время как LTC6373 представляет собой 25 пА IBIAS, 36 В, усиление от 0.25 до ~ 16, низкий THD PGIA.
Таблица 6 Таблица выбора прецизионных операционных усилителей
Справка
1 Геофон. ScienceDirect.
2 Джесси Сантос, Анджело Никко Катапанг и Эрбе Д. Рейта. «Понимать основы сетей обнаружения сейсмических сигналов». Аналоговый диалог, Том 53, Выпуск 4, декабрь 2019.
3 Кристина Фортунадо. «Инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления: найдите лучший усилитель для себя». Аналоговый диалог, Том 52, Выпуск 4, декабрь 2018.
Об авторе
Дэвид Го — инженер по применению продуктов в подразделении линейных продуктов компании Analog Devices. Он присоединился к Китайскому центру приложений ADI в 2007 году в качестве инженера по приложениям, а затем в июне 2011 года перешел в отдел прецизионных усилителей в качестве инженера по приложениям. С января 2013 года Дэвид работает инженером по приложениям в подразделении линейных продуктов компании Analog Devices. Он отвечает за техническую поддержку прецизионных усилителей, инструментальных усилителей, высокоскоростных усилителей, усилителей измерения тока, умножителей, источников опорного напряжения и продуктов RMS-DC. Дэвид имеет степень бакалавра и магистра в области машиностроения и электротехники Пекинского института инженерии. Технологии. Контактное лицо: Дэвид. го@аналог. ком.
Стивен Се присоединился к Пекинскому филиалу ADI в марте 2011 года в качестве инженера по применению продукции в Китайском центре дизайна ADI. Он отвечает за техническую поддержку продуктов SAR ADC на китайском рынке. До этого он четыре года работал разработчиком оборудования в области базовых станций беспроводной связи. В 2007 году Стивен окончил Пекинский университет аэронавтики и астронавтики со степенью магистра в области связи и информационных систем.