Yazar: ADI David Guo, Ürün Uygulama Mühendisi, Steven Xie, Ürün Uygulama Mühendisi
Hassas veri toplama (DAQ) sistemleri endüstriyel uygulamalarda oldukça popülerdir. Bazı DAQ uygulamaları düşük güç tüketimi ve ultra düşük gürültü gerektirir. Bir örnek sismik sensörlerin uygulanmasıdır. Sismik verilerden büyük miktarda bilgi elde edilebilir. Bu bilgiler yapısal sağlık izleme, jeofizik araştırma, petrol arama ve hatta endüstriyel ve ev güvenliği gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.
DAQ sinyal zinciri gereksinimleri
Jeofonlar, yer titreşim sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren elektromekanik dönüştürme cihazlarıdır ve yüksek çözünürlüklü sismik araştırmalara uygundur. Şekil 1'de gösterildiği gibi sismik dalgaların süreksiz bir yüzeyden (düzlem gibi) sekmesi için gereken süreyi ölçmek için dizi boyunca zemine implante edilirler.
şekil 1.Sismik kaynak ve jeofon dizisi
Jeofonun küçük çıkış sinyalini yakalamak için veri analizi amacıyla yüksek hassasiyetli bir DAQ sinyal zinciri oluşturulmalıdır. Toplam rms gürültüsü 1.0 μV rms olmalı, sınırlı düz alçak geçiş bant genişliği aralığı yaklaşık 300 Hz ila 400 Hz arasında olmalı ve sinyal zinciri yaklaşık -120 dB'lik bir THD'ye ulaşmalıdır. Sismik alet bir batarya ile çalıştırıldığından güç tüketiminin yaklaşık 30 mW'ta kontrol edilmesi gerekmektedir.
Bu makalede iki sinyal zinciri çözümü tanıtılmaktadır; ulaşılan hedefler ve gereksinimler aşağıdaki gibidir:
· PGIA kazancı: 1, 2, 4, 8, 16
· Entegre programlanabilir geniş bant filtreli ADC
· Kazanç = 1 olduğunda (-3 dB bant genişliği 300 Hz ila yaklaşık 400 Hz arasındadır), RTI gürültüsü 1.0 μV rms'dir.
· THD: -120 dB (kazanç = 1 olduğunda)
· CMRR ＞ 100 dB (kazanç = 1 olduğunda)
· Güç tüketimi (PGIA artı ADC): 33 mW
· İkinci kanal kendi kendine test için kullanılır
DAQ sinyal zinciri çözümü
ADI web sitesinde tüm bu özelliklere sahip olan ve bu kadar düşük gürültü ve THD'ye ulaşabilen hassas bir ADC yoktur ve hiçbir PGIA bu kadar düşük gürültü ve güç tüketimi sağlayamaz. Ancak ADI, hedeflere ulaşmak için sinyal zincirleri oluşturmak için kullanılabilecek mükemmel hassas amplifikatörler ve hassas ADC'ler sağlar.
Düşük gürültü, düşük distorsiyon ve düşük güç tüketimi PGIA oluşturmak için ultra düşük gürültülü ADA4084-2 veya sıfır kaymalı amplifikatör ADA4522-2 iyi seçimlerdir.
Çok yüksek hassasiyetli ADC'lerle ilgili olarak, 24 bit Σ-Δ ADC AD7768-1 veya 32 bit SAR ADC LTC2500-32 en iyi seçimlerdir. Yapılandırılabilir ODR sağlarlar ve farklı DAQ uygulamalarına uygun düz alçak geçişli FIR filtrelerini entegre ederler.
Sismik sinyal zinciri çözümleri: ADA4084-2 PGIA ve AD7768-1
Şekil 2 tüm sinyal zincirini göstermektedir. ADA4084-2, ADG658 ve %0.1dirençSekiz adede kadar farklı kazanç seçeneği sunan düşük gürültülü, düşük THD PGIA oluşturulabilir. AD7768-1 tek kanallı, düşük güç tüketimi, -120 dB THD platformudur. Düşük dalgalı programlanabilir FIR, DC - 110 kHz dijital filtreye sahiptir ve referans olarak LT8'yi kullanır Voltaj kaynak.
şekil 2. ADA4084-2 PGIA ve AD7768-1 plusMCUFiltrelenmiş sinyal zinciri çözümü
AD7768-1, 1 kSPS'lik ODR ile çalıştığında, gürültünün ortalama karekökü 1.76 μV rms'dir; düşük güç tüketimi modunda güç tüketimi 10 mW'tır. Nihai 1.0 μV rms gürültüyü elde etmek için orta hız modunda 16 kSPS gibi daha yüksek bir ODR'de çalışabilir. AD7768-1 daha yüksek bir modülatör frekansında çalıştığında, daha düşük bir gürültü tabanına (Şekil 3'te gösterildiği gibi) ve daha yüksek güç tüketimine sahiptir. Düz alçak geçişli FIR filtre algoritması, daha yüksek bant genişliği gürültüsünü ortadan kaldırmak ve nihai ODR'yi 1 kSPS'ye düşürmek için MCU yazılımında uygulanabilir. Nihai kök ortalama kare gürültü yaklaşık 3.55μV veya 0.9μV’nin dörtte biri olacaktır.
resim 3. Hedef gürültü performansına ulaşmak amacıyla AD7768-1'in ODR'sini dengelemek için MCU post filtresini kullanın
Örnek olarak, MCU yazılımı FIR filtresi, performansı ve grup gecikmesini dengelemek için Şekil 4'te gösterildiği gibi oluşturulabilir.
Sismik sinyal zinciri çözümleri: ADA4084-2 PGIA ve LTC2500-32
ADI'nin LTC2500-32'si, entegre yapılandırılabilir dijital filtreye sahip, düşük gürültülü, düşük güçlü, yüksek performanslı bir 32 bit SAR ADC'dir. 32 bit dijital filtrenin düşük gürültüsü ve düşük INL çıkışı, onu özellikle sismoloji ve enerji arama uygulamaları için uygun kılar.
Yüksek empedanslı kaynaklar, edinim sırasında yerleşme süresini en aza indirmek ve anahtarlamanın doğrusallığını optimize etmek için tamponlanmalıdır. kondansatör SAR ADC'yi girin. En iyi performansı elde etmek amacıyla LTC2500-32'nin analog girişini sürmek için bir tampon amplifikatör kullanılmalıdır. Ayrı bir PGIA tasarlamalıDevreDüşük gürültü ve düşük THD elde etmek amacıyla LTC2500-32'yi sürmek için (PGIA bölümünde tanıtılmıştır).
PGIA uygulaması
PGIA'nın ana özellikleri devre şunları içerir:
· Güç kaynağı: 5 V (minimum)
· AD7768-1'in güç tüketimi 19.7 mW'tır, dolayısıyla PGIA'nın güç tüketimi devre 13 mW'lık güç tüketimi hedefini karşılamak için 3 mW'tan az olmalıdır
· Gürültü: kazanç = 1 olduğunda gürültü 0 μV rms'dir, bu da AD178-1'in yaklaşık 10/7768'u kadardır. 1 μV rms
Üç tür PGIA topolojisi vardır:
· Entegre PGIA
· Entegre enstrümantasyon amplifikatörlü ayrık PGIA
· Operasyonel amplifikatörlü ayrık PGIA
Tablo 1, ADI'nin dijital PGIA'sını listelemektedir. LTC6915 en düşük IQ'ya sahiptir. Gürültü yoğunluğu 50 nV/√Hz'dir ve 430 Hz bant genişliğindeki entegre gürültü 1.036 μV rms'dir, bu da 0.178 μV rms hedef değerini aşar. Bu nedenle PGIA'yı entegre etmek iyi bir seçim değildir.
Tablo 2'de 8422μA IQ'lu AD300 de dahil olmak üzere çeşitli enstrümantasyon amplifikatörleri listelenmektedir. 430 Hz bant genişliğindeki entegre gürültüsü 1.645 μV rms olduğundan bu da iyi bir seçim değildir.
Şekil 4. MCU FIR filtre aşaması sonrası
Şekil 5. ADA4084-2 PGIA ve LTC2500-32 sinyal zinciri çözümü
Resim 6.LTC2500－32 Farklı Alt Örnekleme Katsayıları Altında Düz Geçiş Bandı Filtre Gürültüsü
Tablo 1. Dijital PGIA
Tablo 2. Enstrümantasyon amplifikatörü
tablo 3.Düşük gürültü, düşük güçlü işlemsel yükselteç
Şekil 7. Ayrık PGIA blok diyagramı
Ayrık bir PGIA oluşturmak için işlemsel yükselteç kullanın
"Programlanabilir Kazanç Enstrümantasyon Amplifikatörü: Sizin için En İyi Amplifikatörü Bulma" makalesi, çeşitli entegre PGIA'ları tartışır ve belirli gereksinimleri karşılayan ayrı PGIA'lar oluşturmaya yönelik iyi yönergeler sağlar2. Şekil 7 ayrık PGIA'nın blok diyagramını göstermektedir devre.
Düşük kapasitans ve 659 V güç kaynağına sahip ADG658/ADG5'i seçebilirsiniz.
İşlemsel yükselteçler için IQ (gerilim yoğunluğu
Kazanç direncine gelince, 1.2/300/75/25 kazancı gerçekleştirmek için 1 kΩ/4Ω/16Ω/64Ω direncini seçin. Direnç ne kadar büyük olursa gürültü artabilir ve direnç ne kadar küçük olursa o kadar fazla güç tüketimi gerekir. Başka kazanç konfigürasyonları gerekliyse, kazanç doğruluğunu sağlamak için dirençler dikkatli bir şekilde seçilmelidir.
Diferansiyel giriş ADC'si bir çıkarıcı görevi görür. ADC'nin CMRR'si 100 dB'den büyüktür ve bu da sistem gereksinimlerini karşılayabilir.
Gürültü simülasyonu
LTspice'i kullanabilir misin? ayrı bir PGIA'nın gürültü performansını simüle etmek için. Entegre gürültü bant genişliği 430 Hz'dir. Tablo 4, iki farklı PGIA ve AD7768-1'in gürültü simülasyon sonuçlarını göstermektedir. ADA4084 çözümü, özellikle yüksek kazançlarda daha iyi gürültü performansına sahiptir.
Tablo 4. Gürültü simülasyon sonuçları
Döngü içi tazminat devre LTC2500－32 sürücüleri
AD7768-1, sürücü gereksinimlerini azaltmak için bir ön şarj amplifikatörünü entegre eder. LTC2500-32 gibi SAR ADC'leri için genellikle sürücü olarak yüksek hızlı bir amplifikatör kullanılması önerilir. Bu DAQ uygulamasında bant genişliği gereksinimi oldukça düşüktür. LTC2500-32'yi sürmek için döngü içi dengeleme kullanılması önerilir devre hassas bir amplifikatörden (ADA4084-2) oluşur. Şekil 8, LTC2500-32'yi sürmek için kullanılan döngü içi dengeleme PGIA'sını göstermektedir. PGIA aşağıdaki özelliklere sahiptir:
· R22/C14/R30/C5 ve R27/C6/R31/C3'ün temel bileşenleri kompanzasyonun stabilitesini artırmak için kullanılır devre döngünün içinde.
· ADG659 kullanıldığında, A1/A0 = 00, kazanç = 1, üst amplifikatörün geri besleme yolu amplifikatör çıkışı mıdır? R22 mi? R30 mu? S1A mı? Savcı mı? R6 mı? AMP — GİRİŞ.
· ADG659 kullanıldığında, A1/A0 = 11, kazanç = 64, üst amplifikatörün geri besleme yolu amplifikatör çıkışı mıdır? R22 mi? R8 mi? R10 mu? R12 mi? S4A mı? Savcı mı? R6 mı? AMP — GİRİŞ.
PGIA, performansı doğrulamak için LTC2500-32EVB'ye bağlanır. Farklı kazançlar (22/14/30/5) altında daha iyi THD ve gürültü performansı elde etmek için farklı pasif bileşenler (R27/C6/R31/C3 ve R1/C4/R16/C64) değerleriyle denemeler yapın. Nihai bileşen değerleri şunlardır: R22/R27 = 100 Ω, C14/C6 = 1 nF, R30/R31 = 1.2 kΩ, C3/C5 = 0.22 ?F. PGIA'nın altındaki kazanç 1 olduğunda ölçülen 3 dB bant genişliği yaklaşık 16 kHz'dir.
Şekil 8. PGIA sürücüleri LTC2500－32
Test tezgahı değerlendirme ayarları
Gürültü, THD ve CMRR performansını test etmek için ayrı ADA4084-2 PGIA ve AD7768-1 kartları eksiksiz bir çözüm haline getirildi. Bu çözüm, EVAL-AD7768-1 değerlendirme kartıyla uyumludur, dolayısıyla SDP-H1 kontrol kartıyla arayüz oluşturabilir. Bu nedenle verileri toplamak ve analiz etmek için EVAL-AD7768FMCZ yazılım GUI'sini kullanabilirsiniz.
ADA4084-2 PGIA ve LTC2500-32 kartlar alternatif komple çözümler olarak tasarlanmıştır.devre yazı tahtasıSDP-H1 kontrol kartıyla arayüz ve LTC2500-32FMCZ yazılım GUI'si tarafından kontrol edilir.
İki kartın PGIA kazancı Şekil 1'de gösterilenden farklı olarak 2/4/8/16/8 olarak tasarlanmıştır. Tablo 5'te bu iki kartın değerlendirme sonuçları gösterilmektedir.
Şekil 9. ADA4084-2 PGIA ve AD7768-1 değerlendirme kartı çözümü
tablo 5. Sinyal zinciri çözümü test sonuçları
Şekil 10. ADA4084-2 PGIA ve LTC2500-32 kartlarının kazanç 1 olduğunda FFT'si
sonuç olarak
Sismoloji ve enerji arama uygulamaları için, çok düşük gürültülü ve düşük güçlü bir DAQ çözümü tasarlamak amacıyla, yüksek çözünürlüklü hassas bir ADC'yi sürmek için düşük gürültülü, düşük THD hassas amplifikatöre sahip ayrı bir PGIA tasarlanabilir. Bu çözüm, güç gereksinimlerine göre gürültüyü, THD'yi ve ODR'yi esnek bir şekilde dengeleyebilir.
· LTC2500-32'nin düşük gürültü performansı, ADA4084-2 ve LTC2500-32'nin avantajlarıyla birleştiğinde, çözümün MCU tarafından daha fazla filtrelemeye gerek kalmadan en iyi gürültü performansını sergilemesini sağlar.
· PGIA kazancı = 1 olduğunda ADA4522-2 ve ADA4084-2 iyi gürültü performansına sahiptir. Gürültü performansı yaklaşık 0.8 ?V rms'dir.
· ADA4084-2, yüksek kazançta daha iyi gürültü performansına sahiptir. Kazanç = 16 olduğunda, ADA4084-2 ve LTC2500-32'nin gürültüsü 0.19 μV rms'dir; bu, ADA4522-2'nin 0.25 μV rms'sinden daha iyidir.
· AD7768-1 için, MCU filtrelemenin yardımıyla ADA4084-2 ve AD7768-1 çözümleri, ADA4084-2 ve LTC2500-32 çözümleriyle benzer gürültü performansı gösterir.
Bu makalede sunulan veri toplama çözümü, düşük gürültü ve düşük güç tüketimi gerektirir ancak bant genişliği sınırlıdır. Diğer DAQ uygulamalarının farklı performans gereksinimleri vardır. Düşük güç tüketimi gerekli değilse, PGIA'yı oluşturmak için aşağıdaki işlemsel yükselteçler kullanılabilir:
· En düşük gürültü: LT1124 ve LT1128'in en iyi gürültü performansını elde ettiği düşünülebilir.
· En düşük kayma: Yeni sıfır kaymalı amplifikatör ADA4523, ADA4522-2 ve LTC2500-32'den daha iyi gürültü özelliklerine sahiptir.
· Minimum öngerilim akımı: Sensörün çıkış direnci yüksek ise ADA4625-1 kullanılması tavsiye edilir.
· Daha yüksek bant genişliği: ADA4807, LTC6226 ve LTC6228, yüksek bant genişliğine sahip DAQ uygulamalarında yüksek bant genişliğine sahip, düşük gürültülü PGIA oluştururken iyi çözümlerdir.
Gürültü ve güç tüketiminin önemli olmadığı ancak daha küçük PCB alanı ve yüksek entegrasyon gerektiren DAQ uygulamalarında ADI'nin yeni entegre PGIA ADA4254 ve LTC6373'ü de iyi seçimlerdir. ADA4254 sıfır sapmalı, yüksekVoltaj1/16 ila ~176 kazançlı sağlam PGIA, LTC6373 ise 25 pA IBIAS, 36 V, 0.25 ila ~16 kazançlı, düşük THD PGIA'dır.
Tablo 6.Hassas İşlemsel Yükselteç Seçim Tablosu
Referans
1 Jeofon. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang ve Erbe D. Reyta. "Sismik sinyal tespit ağlarının temellerini anlamak". Analog Diyalog, Cilt 53, Sayı 4, Aralık 2019.
3 Kristina Fortunado. “Programlanabilir Kazanç Enstrümantasyon Amplifikatörü: Sizin için en iyi amplifikatörü bulun.” Analog Diyalog, Cilt 52, Sayı 4, Aralık 2018.
Yazar Hakkında
David Guo, Analog Cihazların Doğrusal Ürünler Bölümünde ürün uygulamaları mühendisidir. 2007 yılında ADI'nin Çin Uygulama Merkezi'ne uygulama mühendisi olarak katıldı ve ardından Haziran 2011'de uygulama mühendisi olarak hassas amplifikatör departmanına transfer oldu. David, Ocak 2013'ten bu yana Analog Cihazların Doğrusal Ürünler Bölümü'nde uygulama mühendisi olarak görev yapıyor. Hassas amplifikatörler, enstrümantasyon amplifikatörleri, yüksek hızlı amplifikatörler, akım algılamalı amplifikatörler, çarpanlar, referans voltaj kaynakları ve RMS-DC ürünlerinin teknik desteğinden sorumludur. David, Pekin Enstitüsü'nden makine ve elektrik mühendisliği alanında lisans ve yüksek lisans derecesine sahiptir. Teknoloji. İletişim: david. guo@analog. com.
Steven Xie, Mart 2011'de ADI Çin Tasarım Merkezi'nde ürün uygulama mühendisi olarak ADI Pekin şubesine katıldı. Çin pazarındaki SAR ADC ürünlerinin teknik desteğinden sorumludur. Bundan önce dört yıl boyunca kablosuz iletişim baz istasyonları alanında donanım tasarımcısı olarak çalıştı. Steven, 2007 yılında Pekin Havacılık ve Uzay Üniversitesi'nden iletişim ve bilgi sistemleri alanında yüksek lisans derecesiyle mezun oldu.