適用于地震學和能源勘探應(yīng)用的低噪聲和低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案

作者：Steven Xie and David Guo

精密數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中很受歡迎。在某些DAQ應(yīng)用中，需要低功耗和超低噪聲。一個例子是地震傳感器相關(guān)應(yīng)用，可以從地震數(shù)據(jù)中提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、地球物理研究、石油勘探，甚至工業(yè)和家庭安全。

DAQ 信號鏈 要求

地震檢波器是將地面振動信號轉(zhuǎn)換為電信號的機電轉(zhuǎn)換設(shè)備。它們適用于高分辨率地震勘探。它們沿著陣列植入地面，以測量地震波從不連續(xù)表面（如墊層平面）反射時的返回時間，如圖1所示。

圖1.地震源和檢波器陣列。

為了捕獲來自檢波器的小輸出信號，必須構(gòu)建高靈敏度DAQ信號鏈進行數(shù)據(jù)分析。總均方根噪聲應(yīng)為= 1.0 μV rms，平坦低通帶寬范圍有限，為300 Hz至~400 Hz，而信號鏈的THD應(yīng)達到–120 dB左右。由于地震儀器由電池供電，因此功耗應(yīng)平衡在30 mW左右。

本文介紹兩種信號鏈解決方案，以實現(xiàn)以下目標要求：

PGIA增益： 1， 2， 4， 8， 16

集成可編程寬帶濾波器的ADC

增益 = 1 時的 RTI 噪聲（300 Hz 至 ~400 Hz，帶寬為 –3 dB），均方根為 1.0 μV rms

總諧波誤差：增益 = 1 時為 –120 dB

增益 = 1 時的 CMRR，>100 dB

功耗（PGIA 加 ADC）：33 mW

用于自檢的輔助通道

數(shù)據(jù)采集 信號 鏈 解決 方案

在ADI網(wǎng)站上，沒有一款精密ADC具有所有功能，可以實現(xiàn)如此低的噪聲和THD，也沒有一款PGIA可以提供如此低的噪聲和低功耗。但是，ADI提供高精度放大器和精密ADC來構(gòu)建信號鏈以實現(xiàn)目標。

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

對于極高精度ADC，24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR ADC LTC2500-32可能是最佳選擇。它們提供可配置的ODR，并帶有集成的扁平低通FIR濾波器，適用于不同的DAQ應(yīng)用。

地震信號鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

整個信號鏈如圖2所示。ADA4084-2、ADG658和0.1%電阻可以構(gòu)建低噪聲和低THD PGIA，支持多達8種不同的可選增益選項。AD7768-1是一款單通道低功耗、–120 dB THD平臺。它具有一個低紋波可編程 FIR、DC 至 110.8 kHz 數(shù)字濾波器，并使用 LT6657 作為其基準器件。

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

AD7768-1在低功耗模式下以1 kSPS的ODR運行時可獲得1.76 μV rms噪聲，功耗為10 mW。為了實現(xiàn)最終的1.0 μV rms噪聲，它可以在更高的ODR下運行，例如中值模式下為16 kSPS。當AD7768-1以較高的調(diào)制器頻率運行時，其本底噪聲較低，如圖3所示，功耗較高?？梢栽贛CU軟件中實現(xiàn)平坦的低通FIR濾波器算法，以消除更高帶寬的噪聲，并將最終ODR抽取至1 kSPS。最終均方根噪聲約為3.55 μV的四分之一，即0.9 μV。

圖3.通過MCU后置濾波平衡AD7768-1的目標噪聲ODR。

例如，可以如圖4所示制作MCU軟件FIR濾波器，以平衡性能和群延遲。

地震信號鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

LTC?2500-32 是一款低噪聲、低功率、高性能 32 位 SAR ADC，具有一個集成的可配置數(shù)字濾波器。它具有 32 位數(shù)字濾波低噪聲和低 INL 輸出，適用于地震學和能源勘探。

應(yīng)緩沖高阻抗源，以最大限度地縮短采集期間的建立時間，并優(yōu)化開關(guān)電容輸入SAR ADC線性度。為獲得最佳性能，應(yīng)使用一個緩沖放大器來驅(qū)動 LTC2500-32 的模擬輸入。必須設(shè)計一個分立式 PGIA 電路來驅(qū)動 LTC2500-32 以實現(xiàn)低噪聲和低 THD，這在 PGIA 部分進行了介紹。

PGIA實施

PGIA電路的主要規(guī)格包括：

電源：最小 5 V

由于AD7768-1的功耗為19.7 mW，因此PGIA電路應(yīng)為<13.3 mW，以滿足33 mW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 時的 1/10

有三種類型的 PGIA 拓撲：

綜合PGIA項目

帶有集成儀表放大器的分立式PGIA

帶運算放大器的分立式PGIA

表1列出了ADI的數(shù)字PGIA。LTC6915 具有最低的 IQ.噪聲密度為50 nV/√Hz時，430 Hz帶寬內(nèi)的積分噪聲為1.036 μV rms，超過了0.178 μV rms的目標。因此，集成的PGIA不是一個好的選擇。

表2列出了幾種儀表放大器，包括300 μA IQ AD8422.430 Hz帶寬內(nèi)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FIR濾波器級。

圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號鏈解決方案。

圖6.LTC2500-32 針對不同降采樣因子的平坦通帶濾波器噪聲。

噪聲模擬

LTspice可用于仿真分立PGIA的噪聲性能。積分噪聲帶寬為430 Hz。 表4顯示了兩種不同PGIA和AD7768-1的噪聲仿真結(jié)果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能，尤其是在高增益下。?

圖7.離散PGIA的框圖。

通過運算放大器實現(xiàn)分立式PGIA

文章“可編程增益儀表放大器：找到適合您的放大器”討論了各種集成PGIA，并為在嘗試滿足特定要求時構(gòu)建分立PGIA提供了良好的指南。2圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。

ADG659/ADG658可以選擇低電容和5 V電源。

對于運算放大器，IQ（<每通道1 mA）和噪聲（<6 nV/√Hz電壓噪聲密度）是關(guān)鍵規(guī)格。精密運算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是不錯的選擇，其特性如表3所示。

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

差分輸入ADC扮演減法器的角色。ADC的CMRR為>100 dB，可以滿足系統(tǒng)要求。

用于驅(qū)動 LTC2500-32 的環(huán)內(nèi)補償電路

AD7768-1集成預(yù)充電放大器，可降低驅(qū)動要求。對于 SAR ADC，例如 LTC2500-32，通常建議使用高速放大器作為驅(qū)動器。在 此 DAQ 應(yīng)用 中， 帶 寬 要求 較低。為了驅(qū)動LTC2500-32，建議使用一個使用精密放大器（ADA4084-2）的環(huán)內(nèi)補償電路。圖 8 示出了用于驅(qū)動 LTC2500-32 的環(huán)內(nèi)補償 PGIA。PGIA具有以下特點：

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3是提高環(huán)內(nèi)補償電路穩(wěn)定性的關(guān)鍵元件。

ADG659時，A1/A0 = 00，增益 = 1，上部放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R30 ? S1A ? DA ? R6 ? 放大器輸入。

ADG659時，A1/A0 = 11，增益 = 64，上部放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? DA ? R6 ? 放大器 —IN。

PGIA 連接至 LTC2500-32EVB 以驗證性能。嘗試不同的無源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益（1/4/16/64）下達到更好的THD和噪聲性能。最終分量值為：R22/R27 = 100 Ω、C14/C6 = 1 nF、R30/R31 = 1.2 kΩ、C3/C5 = 0.22 μF。增益 = 低于 PGIA 1 時測得的 3 dB 帶寬約為 16 kHz。

圖8.用于驅(qū)動 LTC2500-32 的 PGIA。

工作臺評估設(shè)置

為了測試噪聲、THD和CMRR性能，我們制作了分立式ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板作為整體解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板兼容，因此可以與控制板SDP-H1連接。因此，EVAL-AD7768FMCZ軟件GUI可用于收集和分析數(shù)據(jù)。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設(shè)計為替代整體解決方案。該板與 SDP-H1 控制器板接口，該板由 LTC2500-32FMCZ 軟件 GUI 控制。

在這兩款電路板中，PGIA的增益設(shè)計為1/2/4/8/16，與圖8所示不同。表 5 顯示了這兩款電路板的評估結(jié)果。

圖9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案。

圖 10.ADA4084-2 PGIA 和 LTC2500-32 板 FFT，增益為 1。

結(jié)論

為了 為 地震 和 能源 勘探 設(shè)計 超 低 噪聲 和 低功耗 DAQ 解決 方案， 可以 設(shè)計 一個 分立 PGIA， 帶 低 噪聲 和 THD 精密 放大器 來 驅(qū)動 高分辨率 精密 ADC。該解決方案可靈活地平衡噪聲、THD 和 ODR 與其功耗要求。

LTC2500-32 的低噪聲性能以及 ADA4084-2 和 LTC2500-32 的優(yōu)勢在于，無需 MCU 的進一步濾波處理即可獲得最佳噪聲性能。

ADA4522-2和ADA4084-2在PGIA增益= 1時均具有良好的噪聲性能。噪聲性能約為0.8 μV rms。

ADA4084-2在高增益下具有更好的噪聲性能。增益 = 16 時，ADA4084-2 和 LTC2500-32 的噪聲為 0.19 μV rms，優(yōu)于 ADA4522-2 的 0.25 μV rms。

對于AD7768-1，采用MCU濾波時，ADA4084-2和AD7768-1解決方案的噪聲性能與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似。

本文給出了一種數(shù)據(jù)采集解決方案，該解決方案要求在有限帶寬下同時實現(xiàn)低噪聲和低功耗。還有其他DAQ應(yīng)用需要不同的性能。如果低功耗不是必須的，那么可以使用以下運算放大器來構(gòu)建PGIA：

最低噪聲：LT1124 和 LT1128 可被認為具有最佳噪聲

最低漂移：ADA4523是一款新型零漂移放大器，具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪聲規(guī)格。

最低偏置電流：如果傳感器的輸出電阻較高，則推薦使用ADA4625-1。

更高的帶寬：ADA4807、LTC6226 和 LTC6228 是在高帶寬 DAQ 應(yīng)用中構(gòu)建高帶寬、低噪聲 PGIA 的良好解決方案。

在噪聲和功耗并不重要，但需要小PCB面積和高完整性的DAQ應(yīng)用中，ADI公司的新型集成PGIAADA4254和LTC6373也是不錯的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益魯棒PGIA，LTC6373是一款25 pA I偏見，36 V，0.25 至 ~16 增益，低 THD PGIA。

審核編輯：郭婷