用于地震學(xué)和能源勘探應(yīng)用的低噪聲、低功耗DAQ解決方案

精密數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中深受歡迎。一些DAQ應(yīng)用中需要低功耗和超低噪聲。一個(gè)例子是地震傳感器相關(guān)應(yīng)用，從地震數(shù)據(jù)中可以提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地球物理研究、石油勘探甚至工業(yè)和家庭安全1。

DAQ信號(hào)鏈要求
地震檢波器是將地振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)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(cè)量地震波從非連續(xù)面（如層面）反射回來(lái)的時(shí)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(hào)，必須構(gòu)建高靈敏度DAQ信號(hào)鏈以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。總均方根噪聲應(yīng)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(shí)信號(hào)鏈應(yīng)實(shí)現(xiàn)大約-120 dB的THD。由于地震儀器由電池供電，因此功耗應(yīng)控制在約30 mW。

本文介紹兩種信號(hào)鏈解決方案，其達(dá)成的目標(biāo)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(cè)

DAQ信號(hào)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(xiàn)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(gòu)建信號(hào)鏈以達(dá)成目標(biāo)。

為了構(gòu)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(cuò)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(yīng)用。

地震信號(hào)鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

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

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圖2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波信號(hào)鏈解決方案

AD7768-1以1 kSPS的ODR運(yùn)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(xiàn)最終1.0 μV rms噪聲，它可以更高的ODR運(yùn)行，例如中速模式下的16 kSPS。當(dāng)AD7768-1以較高調(diào)制器頻率運(yùn)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(xiàn)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(dá)到目標(biāo)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(gòu)建，以平衡性能和群延遲。

地震信號(hào)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(shù)字濾波器的低噪聲、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位數(shù)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(yīng)用。

高阻抗源應(yīng)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線性度。為獲得最佳性能，應(yīng)使用緩沖放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)LTC2500-32的模擬輸入。必須設(shè)計(jì)一個(gè)分立PGIA電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LTC2500-32，以實(shí)現(xiàn)低噪聲和低THD（PGIA部分引入的）。

PGIA實(shí)現(xiàn)

PGIA電路的主要規(guī)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(yīng)小于13.3 mW，才能滿足33 mW的功耗目標(biāo)

• 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PGIA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

• 集成PGIA

• 集成儀表放大器的分立PGIA

• 帶運(yùn)算放大器的分立PGIA

表1列出了ADI公司的數(shù)字PGIA。LTC6915的IQ最低。噪聲密度為50 nV/√Hz，430 Hz帶寬內(nèi)的積分噪聲為1.036 μV rms，超過(guò)0.178 μV rms的目標(biāo)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(nèi)的積分噪聲為1.645 μV rms，因此也不是一個(gè)好的選擇。

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圖4.MCU后置FIR濾波器級(jí)

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圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號(hào)鏈解決方案

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圖6.不同降采樣系數(shù)下的LTC2500-32平坦通帶濾波器噪聲

表1.數(shù)字PGIA
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表2.儀表放大器
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表3.低噪聲、低功耗運(yùn)算放大器
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圖7.分立PGIA框圖

使用運(yùn)算放大器構(gòu)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(gòu)建滿足特定要求的分立PGIA提供了很好的指導(dǎo)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(duì)于運(yùn)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(guī)格。精密運(yùn)算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的選擇，其特性列于表3中。

對(duì)于增益電阻，選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實(shí)現(xiàn)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(xì)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(tǒng)要求。

噪聲仿真

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(jié)果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能，尤其是在高增益時(shí)。

表4.噪聲仿真結(jié)果
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在環(huán)補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)LTC2500-32

AD7768-1集成了預(yù)充電放大器，可減輕驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)于SAR ADC，例如LTC2500-32，一般建議使用高速放大器作為驅(qū)動(dòng)器。在此DAQ應(yīng)用中，帶寬要求很低。為了驅(qū)動(dòng)LTC2500-32，建議使用一個(gè)由精密放大器(ADA4084-2)構(gòu)成的在環(huán)補(bǔ)償電路。圖8顯示了用于驅(qū)動(dòng)LTC2500-32的在環(huán)補(bǔ)償PGIA。該P(yáng)GIA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(bǔ)償電路的穩(wěn)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(yàn)證性能。試驗(yàn)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(xiàn)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(cè)3 dB帶寬約為16 kHz。

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圖8.PGIA驅(qū)動(dòng)LTC2500-32

試驗(yàn)臺(tái)評(píng)估設(shè)置
為了測(cè)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(píng)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(shù)據(jù)。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(píng)估結(jié)果。

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圖9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評(píng)估板解決方案

表5.信號(hào)鏈解決方案測(cè)試結(jié)果
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圖10.增益為1時(shí)的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

結(jié)論

針對(duì)地震學(xué)和能源勘探應(yīng)用，為了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)分立PGIA，以驅(qū)動(dòng)高分辨率精密ADC。這種解決方案可以根據(jù)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(xiàn)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(duì)于AD7768-1，借助MCU濾波，ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現(xiàn)出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的噪聲性能。

本文給出的數(shù)據(jù)采集解決方案要求低噪聲和低功耗，而帶寬有限。其他DAQ應(yīng)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(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)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(dāng)構(gòu)建高帶寬DAQ應(yīng)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(yīng)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(yùn)算放大器選型表
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參考資料
1地震檢波器。ScienceDirect。

2Jesse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta?！傲私獾卣鹦盘?hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)”。模擬對(duì)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(duì)話，第52卷第4期，2018年12月。