Tác giả: ADI David Guo, Kỹ sư ứng dụng sản phẩm, Steven Xie, Kỹ sư ứng dụng sản phẩm
Hệ thống thu thập dữ liệu chính xác (DAQ) rất phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp. Một số ứng dụng DAQ yêu cầu mức tiêu thụ điện năng thấp và độ ồn cực thấp. Một ví dụ là ứng dụng của cảm biến địa chấn. Một lượng lớn thông tin có thể được trích xuất từ dữ liệu địa chấn. Thông tin này có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, chẳng hạn như theo dõi sức khỏe cấu trúc, nghiên cứu địa vật lý, thăm dò dầu khí, và thậm chí cả an ninh công nghiệp và hộ gia đình.
Yêu cầu về chuỗi tín hiệu DAQ
Geophone là thiết bị chuyển đổi cơ điện giúp chuyển đổi tín hiệu rung động trên mặt đất thành tín hiệu điện và thích hợp để thăm dò địa chấn có độ phân giải cao. Chúng được cấy trên mặt đất dọc theo mảng để đo thời gian sóng địa chấn bật ra khỏi bề mặt không liên tục (chẳng hạn như mặt phẳng), như trong Hình 1.
Hình 1. Nguồn địa chấn và mảng geophone
Để thu được tín hiệu đầu ra nhỏ của geophone, một chuỗi tín hiệu DAQ có độ nhạy cao phải được xây dựng để phân tích dữ liệu. Tổng tiếng ồn rms phải là 1.0 μV rms, dải băng thông thông thấp phẳng giới hạn là khoảng 300 Hz đến 400 Hz và chuỗi tín hiệu phải đạt được THD khoảng -120 dB. Vì thiết bị đo địa chấn được cấp nguồn bằng pin, nên mức tiêu thụ điện năng phải được kiểm soát ở mức khoảng 30 mW.
Bài viết này giới thiệu hai giải pháp chuỗi tín hiệu, các mục tiêu và yêu cầu đạt được như sau:
· Độ lợi PGIA: 1, 2, 4, 8, 16
· ADC với bộ lọc băng thông rộng có thể lập trình được tích hợp
· Khi độ lợi = 1 (băng thông -3 dB là 300 Hz đến khoảng 400 Hz), tiếng ồn RTI là 1.0 μV rms
· THD: -120 dB (khi tăng = 1)
· CMRR ＞ 100 dB (khi độ lợi = 1)
· Công suất tiêu thụ (PGIA cộng với ADC): 33 mW
· Kênh thứ hai được sử dụng để tự kiểm tra
Giải pháp chuỗi tín hiệu DAQ
Không có ADC chính xác nào trên trang web của ADI có tất cả các tính năng này và có thể đạt được độ ồn và THD thấp như vậy, cũng như không có PGIA nào có thể cung cấp độ ồn và mức tiêu thụ điện năng thấp như vậy. Tuy nhiên, ADI cung cấp bộ khuếch đại chính xác tuyệt vời và bộ ADC chính xác có thể được sử dụng để xây dựng chuỗi tín hiệu nhằm đạt được mục tiêu.
Để tạo ra tiếng ồn thấp, độ méo thấp và tiêu thụ điện năng thấp PGIA, bộ khuếch đại nhiễu cực thấp ADA4084-2 hoặc zero-drift ADA4522-2 là những lựa chọn tốt.
Về bộ ADC có độ chính xác rất cao, 24-bit Σ-Δ ADC AD7768-1 hoặc 32-bit SAR ADC LTC2500-32 là những lựa chọn hàng đầu. Chúng cung cấp ODR có thể cấu hình và tích hợp các bộ lọc FIR thông thấp phẳng, phù hợp với các ứng dụng DAQ khác nhau.
Giải pháp chuỗi tín hiệu địa chấn: ADA4084-2 PGIA và AD7768-1
Hình 2 cho thấy toàn bộ chuỗi tín hiệu. ADA4084-2, ADG658 và 0.1%điện trởTiếng ồn thấp, PGIA THD thấp có thể được xây dựng, cung cấp đến tám tùy chọn độ lợi khác nhau. AD7768-1 là một kênh đơn, tiêu thụ điện năng thấp, nền tảng THD -120 dB. Nó có bộ lọc kỹ thuật số FIR có thể lập trình độ gợn sóng thấp, DC đến 110. 8 kHz và sử dụng LT6657 làm tham chiếu Vôn nguồn.
hình 2. ADA4084-2 PGIA và AD7768-1 plusMCUGiải pháp chuỗi tín hiệu được lọc
Khi AD7768-1 chạy với ODR là 1 kSPS, nhiễu bình phương trung bình gốc là 1.76 μV rms; ở chế độ tiêu thụ điện năng thấp, công suất tiêu thụ là 10 mW. Để đạt được tiếng ồn 1.0 μV rms cuối cùng, nó có thể hoạt động ở ODR cao hơn, chẳng hạn như 16 kSPS ở chế độ tốc độ trung bình. Khi AD7768-1 chạy ở tần số bộ điều chế cao hơn, nó có tầng nhiễu thấp hơn (như trong Hình 3) và tiêu thụ điện năng cao hơn. Thuật toán bộ lọc FIR thông thấp phẳng có thể được thực hiện trong phần mềm MCU để loại bỏ nhiễu băng thông cao hơn và giảm ODR cuối cùng xuống 1 kSPS. Tiếng ồn bình phương căn bậc hai cuối cùng sẽ là khoảng một phần tư 3.55μV, hoặc 0.9μV.
hình ảnh 3. Sử dụng bộ lọc bài MCU để cân bằng ODR của AD7768-1 để đạt được hiệu suất tiếng ồn mục tiêu
Ví dụ, bộ lọc FIR của phần mềm MCU có thể được xây dựng như trong Hình 4 để cân bằng giữa hiệu suất và độ trễ của nhóm.
Giải pháp chuỗi tín hiệu địa chấn: ADA4084-2 PGIA và LTC2500-32
LTC2500-32 của ADI là một bộ lọc SAR 32 bit hiệu suất cao, ít tiếng ồn, công suất thấp với bộ lọc kỹ thuật số có thể định cấu hình tích hợp. Độ ồn thấp của bộ lọc kỹ thuật số 32-bit và đầu ra INL thấp khiến nó đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng thăm dò năng lượng và địa chấn học.
Các nguồn trở kháng cao phải được đệm để giảm thiểu thời gian xử lý trong quá trình thu thập và tối ưu hóa độ tuyến tính của chuyển mạch tụ đầu vào SAR ADC. Để đạt được hiệu suất tốt nhất, nên sử dụng bộ khuếch đại đệm để điều khiển đầu vào tương tự của LTC2500-32. Phải thiết kế PGIA rời rạcCircuitĐể lái xe LTC2500-32 đạt được tiếng ồn thấp và THD thấp (được giới thiệu trong phần PGIA).
Triển khai PGIA
Các thông số kỹ thuật chính của PGIA mạch bao gồm:
· Nguồn điện: 5 V (tối thiểu)
· AD7768-1 có mức tiêu thụ điện năng là 19.7 mW nên mức tiêu thụ điện năng của PGIA mạch nên nhỏ hơn 13 mW, để đáp ứng mục tiêu tiêu thụ điện năng là 3 mW
· Tiếng ồn: khi độ lợi = 1, tiếng ồn là 0. 178 μV rms, bằng khoảng 1/10 của AD7768-1. 78 μV rms
Có ba loại cấu trúc liên kết PGIA:
· PGIA tích hợp
· PGIA rời rạc với bộ khuếch đại thiết bị đo tích hợp
· PGIA rời rạc với bộ khuếch đại hoạt động
Bảng 1 liệt kê PGIA kỹ thuật số của ADI. LTC6915 có chỉ số IQ thấp nhất. Mật độ tiếng ồn là 50 nV / √Hz và tiếng ồn tích hợp trong băng thông 430 Hz là 1.036 μV rms, vượt quá giá trị mục tiêu là 0.178 μV rms. Do đó, tích hợp PGIA không phải là một lựa chọn tốt.
Bảng 2 liệt kê một số bộ khuếch đại thiết bị đo, bao gồm AD8422 với 300μA IQ. Tiếng ồn tích hợp của nó trong băng thông 430 Hz là 1.645 μV rms, vì vậy nó cũng không phải là một lựa chọn tốt.
Hình 4. Giai đoạn lọc FIR sau MCU
Hình 5. Giải pháp chuỗi tín hiệu ADA4084-2 PGIA và LTC2500-32
Hình ảnh 6.LTC2500－32 Bộ lọc băng thông phẳng Tiếng ồn theo Hệ số lấy mẫu xuống khác nhau
Bảng 1. PGIA kỹ thuật số
Bảng 2 Bộ khuếch đại kinh nguyệt
bảng 3. tiếng ồn thấp, bộ khuếch đại hoạt động công suất thấp
Hình 7. Sơ đồ khối PGIA rời
Sử dụng bộ khuếch đại hoạt động để tạo PGIA rời rạc
Bài viết “Bộ khuếch đại thiết bị khuếch đại có thể lập trình: Tìm bộ khuếch đại tốt nhất cho bạn” thảo luận về các PGIA tích hợp khác nhau và cung cấp các hướng dẫn hữu ích để xây dựng các PGIA riêng biệt đáp ứng các yêu cầu cụ thể2. Hình 7 cho thấy một sơ đồ khối của PGIA rời rạc mạch.
Bạn có thể chọn ADG659 / ADG658 với điện dung thấp và nguồn điện 5 V.
Đối với bộ khuếch đại hoạt động, IQ (mật độ điện áp
Đối với điện trở khuếch đại, hãy chọn điện trở 1.2 kΩ / 300Ω / 75Ω / 25Ω để nhận ra độ lợi 1/4/16/64. Điện trở càng lớn thì tiếng ồn có thể tăng lên, và điện trở càng nhỏ thì tiêu thụ điện năng càng nhiều. Nếu yêu cầu cấu hình độ lợi khác, thì điện trở phải được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của độ lợi.
Đầu vào vi phân ADC hoạt động như một bộ trừ. CMRR của ADC lớn hơn 100 dB, có thể đáp ứng các yêu cầu của hệ thống.
Mô phỏng tiếng ồn
Bạn có thể sử dụng LTspice? để mô phỏng hiệu suất nhiễu của PGIA rời rạc. Băng thông tiếng ồn tích hợp là 430 Hz. Bảng 4 cho thấy kết quả mô phỏng nhiễu của hai PGIA và AD7768-1 khác nhau. Giải pháp ADA4084 có hiệu suất nhiễu tốt hơn, đặc biệt là ở mức tăng cao.
Bảng 4. Kết quả mô phỏng màu xanh
bồi thường trong vòng lặp mạch điều khiển LTC2500－32
AD7768-1 tích hợp bộ khuếch đại sạc trước để giảm yêu cầu về ổ đĩa. Đối với ADC SAR, chẳng hạn như LTC2500-32, thông thường nên sử dụng bộ khuếch đại tốc độ cao làm trình điều khiển. Trong ứng dụng DAQ này, yêu cầu băng thông rất thấp. Để điều khiển LTC2500-32, nên sử dụng bù trong vòng lặp mạch bao gồm một bộ khuếch đại chính xác (ADA4084-2). Hình 8 cho thấy PGIA bù trong vòng lặp được sử dụng để điều khiển LTC2500-32. PGIA có các đặc điểm sau:
· Các thành phần chính của R22/C14/R30/C5 và R27/C6/R31/C3 được sử dụng để cải thiện độ ổn định của bù mạch trong vòng.
· Dùng ADG659, A1 / A0 = 00, gain = 1, đường hồi tiếp của mạch khuếch đại trên là ngõ ra của bộ khuếch đại? R22? R30? S1A? DA? R6? AMP - VÀO.
· Dùng ADG659, A1 / A0 = 11, gain = 64 thì đường hồi tiếp của mạch khuếch đại trên là ngõ ra của mạch khuếch đại? R22? R8? R10? R12? S4A? DA? R6? AMP - VÀO.
PGIA được kết nối với LTC2500-32EVB để xác minh hiệu suất. Thử nghiệm với các thành phần thụ động khác nhau (giá trị R22 / C14 / R30 / C5 và R27 / C6 / R31 / C3) để đạt được hiệu suất THD và nhiễu tốt hơn ở các mức tăng khác nhau (1/4/16/64). Các giá trị thành phần cuối cùng là: R22 / R27 = 100 Ω, C14 / C6 = 1 nF, R30 / R31 = 1.2 kΩ, C3 / C5 = 0.22? F. Khi mức khuếch đại dưới PGIA là 1, băng thông 3 dB đo được là khoảng 16 kHz.
Hình 8. Ổ đĩa PGIA LTC2500－32
Kiểm tra cài đặt đánh giá băng ghế dự bị
Để kiểm tra hiệu suất của tiếng ồn, THD và CMRR, các bo mạch ADA4084-2 PGIA và AD7768-1 riêng biệt được tạo thành một giải pháp hoàn chỉnh. Giải pháp này tương thích với bảng đánh giá EVAL-AD7768-1, vì vậy nó có thể giao tiếp với bảng điều khiển SDP-H1. Do đó, bạn có thể sử dụng GUI phần mềm EVAL-AD7768FMCZ để thu thập và phân tích dữ liệu.
Các bo mạch ADA4084-2 PGIA và LTC2500-32 được thiết kế như các giải pháp hoàn chỉnh thay thế.mạch bảngGiao diện với bo mạch điều khiển SDP-H1 và được điều khiển bởi GUI phần mềm LTC2500-32FMCZ.
Độ lợi PGIA của hai bảng được thiết kế là 1/2/4/8/16, khác với mức được thể hiện trong Hình 8. Bảng 5 cho thấy kết quả đánh giá của hai bảng này.
Hình 9. Giải pháp bảng đánh giá ADA4084-2 PGIA và AD7768-1
bảng 5 kết quả thử nghiệm giải pháp chuỗi tín hiệu
Hình 10. FFT của bảng ADA4084-2 PGIA và LTC2500-32 khi độ lợi là 1
cuối cùng
Đối với các ứng dụng địa chấn học và thăm dò năng lượng, để thiết kế giải pháp DAQ có độ ồn cực thấp và công suất thấp, một PGIA rời rạc có thể được thiết kế với bộ khuếch đại có độ ồn thấp, độ chính xác THD thấp để điều khiển bộ ADC chính xác có độ phân giải cao. Giải pháp này có thể linh hoạt cân bằng nhiễu, THD và ODR tùy theo yêu cầu nguồn điện.
· Hiệu suất tiếng ồn thấp của LTC2500-32 kết hợp với các ưu điểm của ADA4084-2 và LTC2500-32 làm cho giải pháp thể hiện hiệu suất tiếng ồn tốt nhất mà không cần MCU lọc thêm.
· Khi độ lợi PGIA = 1, ADA4522-2 và ADA4084-2 có hiệu suất nhiễu tốt. Hiệu suất tiếng ồn là khoảng 0.8? V rms.
· ADA4084-2 có hiệu suất nhiễu tốt hơn ở mức khuếch đại cao. Khi độ lợi = 16, nhiễu của ADA4084-2 và LTC2500-32 là 0.19 μV rms, tốt hơn so với 4522 μV của ADA2-0.25.
· Đối với AD7768-1, với sự trợ giúp của bộ lọc MCU, các giải pháp ADA4084-2 và AD7768-1 hiển thị hiệu suất nhiễu tương tự như các giải pháp ADA4084-2 và LTC2500-32.
Giải pháp thu thập dữ liệu được trình bày trong bài viết này yêu cầu tiếng ồn thấp và tiêu thụ điện năng thấp, nhưng băng thông bị hạn chế. Các ứng dụng DAQ khác có các yêu cầu hiệu suất khác nhau. Nếu không cần tiêu thụ điện năng thấp, có thể sử dụng các bộ khuếch đại hoạt động sau để tạo PGIA:
· Tiếng ồn thấp nhất: LT1124 và LT1128 có thể được coi là để có được hiệu suất tiếng ồn tốt nhất.
· Độ trôi thấp nhất: Bộ khuếch đại không trôi mới ADA4523 có đặc tính nhiễu tốt hơn ADA4522-2 và LTC2500-32.
· Dòng phân cực tối thiểu: Nếu điện trở đầu ra của cảm biến cao, nên sử dụng ADA4625-1.
· Băng thông cao hơn: ADA4807, LTC6226 và LTC6228 là giải pháp tốt khi xây dựng PGIA băng thông cao, nhiễu thấp trong các ứng dụng DAQ băng thông cao.
Trong các ứng dụng DAQ mà tiếng ồn và mức tiêu thụ điện năng không quan trọng, nhưng yêu cầu diện tích PCB nhỏ hơn và khả năng tích hợp cao, PGIA ADA4254 và LTC6373 tích hợp mới của ADI cũng là những lựa chọn tốt. ADA4254 là một thiết bị không trôi, caoVôn, PGIA mạnh mẽ với mức tăng từ 1/16 đến ~176, trong khi LTC6373 là IBIAS 25 pA, 36 V, mức tăng 0.25 đến ~16, PGIA THD thấp.
Bảng 6. Bảng lựa chọn bộ khuếch đại hoạt động chính xác
Tài liệu tham khảo
1 Geophone. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang và Erbe D. Reyta. “Hiểu những điều cơ bản về mạng phát hiện tín hiệu địa chấn”. Đối thoại tương tự, Tập 53, Số 4, Tháng 2019 năm XNUMX.
3 Kristina Fortunado. “Bộ khuếch đại công cụ đo độ lợi có thể lập trình: Tìm bộ khuếch đại tốt nhất cho bạn.” Đối thoại Analog, Tập 52, Số 4, Tháng 2018 năm XNUMX.
Lưu ý
David Guo là kỹ sư ứng dụng sản phẩm tại Bộ phận Sản phẩm Tuyến tính của Thiết bị Analog. Anh gia nhập Trung tâm Ứng dụng Trung Quốc của ADI vào năm 2007 với tư cách là kỹ sư ứng dụng, sau đó chuyển sang bộ phận khuếch đại chính xác với tư cách là kỹ sư ứng dụng vào tháng 2011 năm 2013. Kể từ tháng XNUMX năm XNUMX, David đã giữ chức vụ kỹ sư ứng dụng trong Bộ phận Sản phẩm Tuyến tính của Thiết bị Analog. Ông chịu trách nhiệm hỗ trợ kỹ thuật cho các bộ khuếch đại chính xác, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, bộ khuếch đại tốc độ cao, bộ khuếch đại cảm nhận dòng điện, bộ nhân, nguồn điện áp tham chiếu và các sản phẩm RMS-DC. David có bằng cử nhân và bằng thạc sĩ về kỹ thuật cơ khí và điện của Học viện Công nghiệp Bắc Kinh. Công nghệ. Liên hệ: david. guo@analog. com.
Steven Xie gia nhập chi nhánh ADI Bắc Kinh vào tháng 2011 năm 2007 với tư cách là kỹ sư ứng dụng sản phẩm tại Trung tâm Thiết kế Trung Quốc ADI. Ông chịu trách nhiệm hỗ trợ kỹ thuật cho các sản phẩm của SAR ADC tại thị trường Trung Quốc. Trước đó, anh đã làm việc với tư cách là nhà thiết kế phần cứng trong lĩnh vực trạm gốc truyền thông không dây trong XNUMX năm. Năm XNUMX, Steven tốt nghiệp Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh với bằng thạc sĩ về truyền thông và hệ thống thông tin.