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用于地震學和能源勘探應用的低噪聲、低功耗DAQ解決方案

作者:ADI 公司 David Guom,產品應用工程師,Steven Xie,產品應用工程師時間:2021-11-18來源:電子產品世界收藏

精密數據采集(DAQ)系統在工業應用中深受歡迎。一些DAQ應用中需要低功耗和超低噪聲。一個例子是地震傳感器相關應用,從地震數據中可以提取大量信息,這些信息可用于廣泛的應用,例如結構健康監測、地球物理研究、石油勘探甚至工業和家庭安全1。

本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202111/429737.htm

DAQ信號鏈要求

地震檢波器是將地振動信號轉換成電信號的機電轉換裝置,適用于高分辨率地震勘探。它們沿著陣列被植入地面,用于測量地震波從非連續面(如層面)反射回來的時間,如圖1所示。

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圖1 地震源和檢波器陣列

要捕獲地震檢波器的小輸出信號,必須構建高靈敏度DAQ信號鏈以進行數據分析。總均方根噪聲應為1.0 μV rms,有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右,同時信號鏈應實現大約-120 dB的THD。由于地震儀器由電池供電,因此功耗應控制在約30 mW。

本文介紹兩種信號鏈解決方案,其達成的目標要求如下:

■   PGIA增益:1、2、4、8、16

■   集成可編程寬帶濾波器的ADC

■   增益 = 1時(-3 dB帶寬為300 Hz至約400 Hz)的RTI噪聲為1.0 μV rms

■   THD:-120 dB(增益 = 1時)

■   CMRR > 100 dB(增益 = 1時)

■   功耗(PGIA加ADC):33 mW

■   第二通道用于自測

DAQ信號鏈解決方案

ADI網站上沒有一款精密ADC具備所有這些特性并能實現如此低的噪聲和THD,也沒有一款PGIA能提供如此低的噪聲和功耗。但是,ADI公司提供了出色的精密放大器和精密ADC,可使用這些器件構建信號鏈以達成目標。

為了構建低噪聲、低失真和低功耗PGIA,超低噪聲ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2是不錯的選擇。

關于非常高精度的ADC,24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR型ADC LTC2500-32是上上之選。它們提供可配置的ODR,并集成平坦低通FIR濾波器,適合不同的DAQ應用。

地震信號鏈解決方案:ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

圖2顯示了整個信號鏈。ADA4084-2、ADG658和0.1%電阻可以構建低噪聲、低THD PGIA,提供最多八個不同的增益選項。AD7768-1是單通道、低功耗、-120 dB THD平臺。它具有低紋波可編程FIR、DC至110.8 kHz數字濾波器,使用LT6657作為基準電壓源。

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圖2 ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波信號鏈解決方案

AD7768-1以1 kSPS的ODR運行時,均方根噪聲為1.76 μV rms;在低功耗模式下,功耗為10 mW。為了實現最終1.0 μV rms噪聲,它可以更高的ODR運行,例如中速模式下的16 kSPS。當AD7768-1以較高調制器頻率運行時,它具有較低的本底噪聲(如圖3所示)和較高的功耗。可以在MCU軟件中實現平坦低通FIR濾波器算法,以消除較高帶寬噪聲,并將最終ODR降至1 kSPS。最終均方根噪聲將是3.55μV的大約四分之一,即0.9 μV。

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圖3 利用MCU后置濾波平衡AD7768-1的ODR以達到目標噪聲性能

作為一個例子,MCU軟件FIR濾波器可以按圖4所示構建,以平衡性能和群延遲。

地震信號鏈解決方案:ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

ADI公司的LTC2500-32是一款集成可配置數字濾波器的低噪聲、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位數字濾波的低噪聲和低INL輸出,使它特別適合地震學和能源勘探應用。

高阻抗源應加以緩沖以使采集期間的建立時間最短,并優化開關電容輸入SAR ADC線性度。為獲得最佳性能,應使用緩沖放大器來驅動LTC2500-32的模擬輸入。必須設計一個分立PGIA電路來驅動LTC2500-32,以實現低噪聲和低THD(PGIA部分引入的)。

PGIA實現

PGIA電路的主要規格包括:

■   電源:5 V(最小值)

■   AD7768-1有19.7 mW的功耗,因此PGIA電路的功耗應小于13.3 mW,才能滿足33 mW的功耗目標

■   噪聲:增益 = 1時的噪聲為0.178 μV rms,約為AD7768-1 1.78 μV rms的1/10

有三類PGIA拓撲結構:

■   集成PGIA

■   集成儀表放大器的分立PGIA

■   帶運算放大器的分立PGIA

表1列出了ADI公司的數字PGIA。LTC6915的IQ最低。噪聲密度為50 nV/√Hz,430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.036 μV rms,超過0.178 μV rms的目標值。因此,集成PGIA不是一個好的選擇。

表2列出了幾種儀表放大器,包括300μA IQ的AD8422。它在430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.645 μV rms,因此也不是一個好的選擇。

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圖4 MCU后置FIR濾波器級

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圖5 ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號鏈解決方案

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圖6 不同降采樣系數下的LTC2500-32平坦通帶濾波器噪聲

表1 數字PGIA

產品型號

增益

(最小值,單位:V/V)

增益

(最大值,單位:V/V)

IQ/放大器

(最大值,單位:mA)

VS范圍

(最小值,單位:V)

VS范圍

(最大值,單位:V)

輸入電壓噪聲

(典型值,單位:nV/√Hz)

LTC6915

1

4096

1.6

2.7

11

50

AD8557

28

1300

1.8

2.7

5.5

32

AD8556

70

1280

2.7

5

5.5

32

AD8250

1

10

4.5

10

30

18

AD8251

1

8

4.5

10

34

18

表2 儀表放大器

產品型號

增益

(最小值,單位:V/V)

增益

(最大值,單位:V/V)

IQ/放大器

(最大值)

VS范圍

(最小值,單位:V)

VS范圍

(最大值,單位:V)

輸入電壓噪聲

(典型值,單位:nV/√Hz)

AD8422

1

1000

300 μA

4.6

36

8

LT1168

1

10,000

530 μA

4.6

40

10

AD8220

1

1000

750 μA

4.5

36

14

AD8224

1

1000

800 μA

4.5

36

14

AD8221

1

1000

1 mA

4.6

36

8

3 低噪聲、低功耗運算放大器

器件

VOS

(最大值,單位:μV)

IBIAS

(最大值)

GBP

(典型值,單位:MHz)

0.1 Hz至10 Hz VNOISE

(典型值,單位:nV   p-p)

VNOISE密度

(典型值,單位:nV/√Hz)

電流噪聲密度

(典型值,單位:fA/√Hz)

IQ/放大器

(典型值,單位:μA)

VS范圍

(最小值,單位:V)

VS范圍

(最大值,單位:V)

ADA4522-2

5

150 pA

2.7

117

5.8

800

830

4.5

55

ADA4084-2

100

250 nA

15.9

100

3.9

550

625

3

30

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圖7 分立PGIA框圖

使用運算放大器構建分立PGIA

“可編程增益儀表放大器:找到最適合您的放大器”一文討論了各種集成PGIA,并為構建滿足特定要求的分立PGIA提供了很好的指導建議2。圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。

可以選擇低電容和5 V電源的ADG659/ADG658。

對于運算放大器,IQ(每通道<1 mA)和噪聲(電壓噪聲密度<6 nV/√Hz)是關鍵規格。精密運算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的選擇,其特性列于表3中。

對于增益電阻,選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實現1/4/16/64增益。電阻越大,噪聲可能會增加,而電阻越小,需要的功耗越多。如果需要其他增益配置,必須仔細選擇電阻以確保增益精度。

差分輸入ADC起到減法器的作用。ADC的CMRR大于100 dB,可滿足系統要求。

噪聲仿真

可以使用LTspice?來仿真分立PGIA的噪聲性能。積分噪聲帶寬為430 Hz。表4顯示了兩個不同PGIA和AD7768-1的噪聲仿真結果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能,尤其是在高增益時。

表4 噪聲仿真結果


ADA4084 PGIA和AD7768-1

ADA4522 PGIA和AD7768-1

增益 = 1時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms)

1.765

1.774

增益 = 4時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms)

0.744

0.767

增益 = 16時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms)

0.259

0.311

增益 = 64時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms)

0.148

0.225

在環補償電路驅動LTC2500-32

AD7768-1集成了預充電放大器,可減輕驅動要求。對于SAR ADC,例如LTC2500-32,一般建議使用高速放大器作為驅動器。在此DAQ應用中,帶寬要求很低。為了驅動LTC2500-32,建議使用一個由精密放大器(ADA4084-2)構成的在環補償電路。圖8顯示了用于驅動LTC2500-32的在環補償PGIA。該PGIA具有如下特性:

■   R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關鍵元件,用以提高在環補償電路的穩定性。

■   使用ADG659,A1/A0 = 00,增益 = 1,上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R30 ? S1A ? DA ? R6 ? AMP —IN。

■   使用ADG659,A1/A0 = 11,增益 = 64,上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? DA ? R6 ? AMP —IN。

PGIA連接到LTC2500-32EVB以驗證性能。試驗不同的無源元件(R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3)值,以在不同增益(1/4/16/64)下實現更好的THD和噪聲性能。最終元件值為:R22/R27 = 100 Ω,C14/C6 = 1 nF,R30/R31 = 1.2 kΩ,C3/C5 = 0.22 μF。PGIA以下的增益為1時的實測3 dB帶寬約為16 kHz。

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圖8 PGIA驅動LTC2500-32

試驗臺評估設置

為了測試噪聲、THD和CMRR性能,將分立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板兼容,因而可以與控制板SDP-H1接口。因此,可以使用EVAL-AD7768FMCZ軟件GUI來收集和分析數據。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設計為備選的完整解決方案。電路板與SDP-H1控制板接口,并由LTC2500-32FMCZ軟件GUI控制。

兩個板的PGIA增益均被設計為1/2/4/8/16,這與圖8所示不同。表5顯示了這兩個板的評估結果。

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圖9 ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案

表5 信號鏈解決方案測試結果


ADA4084-2、AD7768-1

(中速模式,FMOD = 4 MHz,ODR = 16 ksps)+

ADA4084-2、AD7768-1

(中速模式,FMOD = 4 MHz,ODR = 16 kSPS)+ MCU FIR和DEC至ODR = 16 k/16 = 1 kSPS

ADA4084-2、LTC2500-32

ADC

MCLK = 1 MHz

增益 = 1時的RTI噪聲(μV rms)

3.718

0.868

0.82

增益 = 2時的RTI噪聲(μV rms)

1.996

0.464

0.42

增益 = 4時的RTI噪聲(μV rms)

1.217

0.286

0.3

增益 = 8時的RTI噪聲(μV rms)

0.909

0.208

0.24

增益 = 16時的RTI噪聲(μV rms)

0.808

0.186

0.19

增益 = 1時的THD (dB)

—125

—125

—122

增益 = 2時的THD (dB)

—125

—125

—119

增益 = 4時的THD (dB)

—124

—124

—118

增益 = 8時的THD (dB)

—120

—120

—117

增益 = 16時的THD (dB)

—115

—115

—115

增益 = 1時的CMRR (dB)

131

131

114

增益 = 4時的CMRR (dB)

117

117

121

增益 = 16時的CMRR (dB)

120

120

126

Pd典型值(mW)

31.3

31.3

33.2

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圖10 增益為1時的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

結論

針對地震學和能源勘探應用,為了設計一個非常低噪聲和低功耗的DAQ解決方案,可以使用低噪聲、低THD的精密放大器設計分立PGIA,以驅動高分辨率精密ADC。這種解決方案可以根據功耗要求靈活地平衡噪聲、THD和ODR。

■   LTC2500-32的低噪聲性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的優點,使得解決方案表現出最佳噪聲性能,無需MCU進一步濾波處理。

■   在PGIA增益 = 1時,ADA4522-2和ADA4084-2都有良好的噪聲性能。噪聲性能約為0.8 μV rms。

■   ADA4084-2在高增益時具有更好的噪聲性能。在增益 = 16時,ADA4084-2和LTC2500-32的噪聲為0.19 μV rms,比ADA4522-2的0.25 μV rms要好。

■   對于AD7768-1,借助MCU濾波,ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的噪聲性能。

本文給出的數據采集解決方案要求低噪聲和低功耗,而帶寬有限。其他DAQ應用會有不同的性能要求。如果低功耗不是必需的,可以使用如下運算放大器來構建PGIA:

■   最低噪聲:可以考慮LT1124和LT1128以獲得最佳噪聲性能。

■   最低漂移:新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪聲特性。

■   最低偏置電流:如果傳感器的輸出電阻較高,建議使用ADA4625-1。

■   較高帶寬:當構建高帶寬DAQ應用中的高帶寬、低噪聲PGIA時,ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解決方案。

在噪聲和功耗不重要,但要求較小PCB面積和高集成度的DAQ應用中,ADI公司的新型集成PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益的魯棒PGIA,而LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。

表6 精密運算放大器選型表

產品型號

VOS

(最大值,單位:μV)

IBIAS

(最大值)

GBP

(典型值,單位:MHz)

0.1 Hz至10 Hz VNOISE

(典型值,單位:nV   p-p)

VNOISE密度

典型值

電流噪聲密度

典型值

IQ/放大器

典型值

VS范圍

(最小值,單位:V)

VS范圍

(最大值,單位:V)

ADA4522-2

5

150 pA

2.7

117

5.8 nV/√Hz

800 fA/√Hz

830 μA

4.5

55

ADA4084-2

100

250 nA

15.9

100

3.9 nV/√Hz

550 fA/√Hz

625 μA

3

30

ADA4625-1

80

75 pA

18

150

3.3 nV/√Hz

4.5 fA/√Hz

4 mA

5

36

LT1124

70

20 nA

12.5

70

2.7 nV/√Hz

300 fA/√Hz

2.3 mA

8

44

LT6233

500

3 μA

60

220

1.9 nV/√Hz

430 fA/√Hz

1.15 mA

3

12.6

ADA4084-1

100

250 nA

15.9

100

3.9 nV/√Hz

550 fA/√Hz

565 μA

3

30

ADA4807-1

125

1.6 μA

200

160

3.3 nV/√Hz

700 fA/√Hz

1 mA

2.7

11

ADA4523-1

5

300 pA

5

88

4.2 nV/√Hz

1 pA/√Hz

4.5 mA

4.5

36

LT1128

40

90 nA

20

35

850 pV/√Hz

1 pA/√Hz

7.4 mA

8

44

LTC6228

95

25 μA

890

940

880 pV/√Hz

3 pA/√Hz

16 mA

2.8

11.75

LTC6226

95

20 μA

420

770

1 nV/√Hz

2.4 pA/√Hz

5.5 mA

2.8

11.75

參考資料

1地震檢波器。ScienceDirect。

2Jesse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。“了解地震信號檢測網絡的基礎知識”。模擬對話,第53卷第4期,2019年12月。

3Kristina Fortunado。“可編程增益儀表放大器:找到最適合您的放大器”。模擬對話,第52卷第4期,2018年12月。

作者簡介

David Guo是ADI公司線性產品部門的產品應用工程師。他于2007年加入ADI公司中國應用中心,擔任應用工程師,后于2011年6月轉任精密放大器部門擔任應用工程師。自2013年1月起,David擔任ADI公司線性產品部門的應用工程師。他負責精密放大器、儀表放大器、高速放大器、電流檢測放大器、乘法器、基準電壓源和RMS-DC等產品的技術支持工作。David擁有北京理工大學機電工程學士學位和碩士學位。

Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司,擔任ADI中國設計中心的產品應用工程師。他負責中國市場SAR型ADC產品的技術支持工作。在此之前,他曾在無線通信基站領域做過四年的硬件設計人員。2007年,Steven畢業于北京航空航天大學,并獲得通信與信息系統碩士學位。



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