DAQ信號鏈要求

 

地震檢波器是將地振動(dòng)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(zhù)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(lái)的時(shí)間，如圖1所示。

 

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(jìn)行數據分析?？偩礁肼晳獮?.0 μV rms，有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右，同時(shí)信號鏈應實(shí)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(shí)（-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(shí)）

●    CMRR > 100 dB（增益 = 1時(shí)）

●    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(wǎng)站上沒(méi)有一款精密ADC具備所有這些特性并能實(shí)現如此低的噪聲和THD，也沒(méi)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(guān)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(gè)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(gè)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。

 

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(shí)，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(shí)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(shí)，它具有較低的本底噪聲（如圖3所示）和較高的功耗?？梢栽贛CU軟件中實(shí)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。

 

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(gè)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

 

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(xué)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(shí)間最短，并優(yōu)化開(kāi)關(guān)電容輸入SAR ADC線(xiàn)性度。為獲得最佳性能，應使用緩沖放大器來(lái)驅動(dòng)LTC2500-32的模擬輸入。必須設計一個(gè)分立PGIA電路來(lái)驅動(dòng)LTC2500-32，以實(shí)現低噪聲和低THD（PGIA部分引入的）。

 

PGIA實(shí)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(mǎn)足33 mW的功耗目標

●    噪聲：增益 = 1時(shí)的噪聲為0.178 μV rms，約為AD7768-1 1.78 μV rms的1/10

 

有三類(lèi)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(guò)0.178 μV rms的目標值。因此，集成PGIA不是一個(gè)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(gè)好的選擇。

 

圖4.MCU后置FIR濾波器級 

 

圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號鏈解決方案

 

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

 

表2.儀表放大器

 

表3.低噪聲、低功耗運算放大器

 

可以使用LTspice®來(lái)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(gè)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(shí)。

 

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(mǎn)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(guān)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(shí)現1/4/16/64增益。電阻越大，噪聲可能會(huì )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(mǎn)足系統要求。

 

表4.噪聲仿真結果

 

在環(huán)補償電路驅動(dòng)LTC2500-32

 

AD7768-1集成了預充電放大器，可減輕驅動(dòng)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(dòng)器。在此DAQ應用中，帶寬要求很低。為了驅動(dòng)LTC2500-32，建議使用一個(gè)由精密放大器(ADA4084-2)構成的在環(huán)補償電路。圖8顯示了用于驅動(dòng)LTC2500-32的在環(huán)補償PGIA。該PGIA具有如下特性：

 

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關(guān)鍵元件，用以提高在環(huán)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(wú)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(shí)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(shí)的實(shí)測3 dB帶寬約為16 kHz。

 

圖8.PGIA驅動(dòng)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(lái)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(gè)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(gè)板的評估結果。

 

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

 

圖10.增益為1時(shí)的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

 

結論

 

針對地震學(xué)和能源勘探應用，為了設計一個(gè)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(dòng)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(yōu)點(diǎn)，使得解決方案表現出最佳噪聲性能，無(wú)需MCU進(jìn)一步濾波處理。

●    在PGIA增益 = 1時(shí)，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(shí)具有更好的噪聲性能。在增益 = 16時(shí)，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A(yíng)D7768-1，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(huì )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(lái)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(shí)，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

 

參考電路

 

1地震檢波器。 ScienceDirect.

 

2esse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。 “了解地震信號檢測網(wǎng)絡(luò )的基礎知識。” 模擬對話(huà)，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(huà)，第52卷第4期，2018年12月。

 

 

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