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Low Noise and Low Power DAQ Solution for Seismology and Energy Exploration Applications 作者：ADI 公司 David Guo，產品應用工程師，Steven Xie，產品應用工程師 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。 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。 
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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
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。聯系方式：david.guo@analog.com。 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。聯系方式：steven.xie@analog.com。 |
