精密数据采集(DAQ)系统在工业应用中深受欢迎。一些DAQ应用中需要低功耗和超低噪声。一个例子是地震传感器相关应用，从地震数据中可以提取大量信息，这些信息可用于广泛的应用，例如结构健康监测、地球物理研究、石油勘探甚至工业和家庭安全¹。

DAQ信号链要求

地震检波器是将地振动信号转换成电信号的机电转换装置，适用于高分辨率地震勘探。它们沿着阵列被植入地面，用于测量地震波从非连续面（如层面）反射回来的时间，如图1所示。
 
要捕获地震检波器的小输出信号，必须构建高灵敏度DAQ信号链以进行数据分析。总均方根噪声应为1.0 μV rms，有限的平坦低通带宽范围为300 Hz至400 Hz左右，同时信号链应实现大约-120 dB的THD。由于地震仪器由电池供电，因此功耗应控制在约30 mW。
 
本文介绍两种信号链解决方案，其达成的目标要求如下：
 
► PGIA增益：1、2、4、8、16
► 集成可编程宽带滤波器的ADC
► 增益 = 1时（-3 dB带宽为300 Hz至约400 Hz）的RTI噪声为1.0 μV rms
► THD：-120 dB（增益 = 1时）
► CMRR > 100 dB（增益 = 1时）
► 功耗（PGIA加ADC）：33 mW
► 第二通道用于自测

 

DAQ信号链解决方案

 
ADI网站上没有一款精密ADC具备所有这些特性并能实现如此低的噪声和THD，也没有一款PGIA能提供如此低的噪声和功耗。但是，ADI公司提供了出色的精密放大器和精密ADC，可使用这些器件构建信号链以达成目标。
 
为了构建低噪声、低失真和低功耗PGIA，超低噪声ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2是不错的选择。
 
关于非常高精度的ADC，24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR型ADC LTC2500-32是上上之选。它们提供可配置的ODR，并集成平坦低通FIR滤波器，适合不同的DAQ应用。

 

地震信号链解决方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

 
图2显示了整个信号链。ADA4084-2、ADG658和0.1%电阻可以构建低噪声、低THD PGIA，提供最多八个不同的增益选项。AD7768-1是单通道、低功耗、-120 dB THD平台。它具有低纹波可编程FIR、DC至110.8 kHz数字滤波器，使用LT6657作为基准电压源。  
AD7768-1以1 kSPS的ODR运行时，均方根噪声为1.76 μV rms；在低功耗模式下，功耗为10 mW。为了实现最终1.0 μV rms噪声，它可以更高的ODR运行，例如中速模式下的16 kSPS。当AD7768-1以较高调制器频率运行时，它具有较低的本底噪声（如图3所示）和较高的功耗。可以在MCU软件中实现平坦低通FIR滤波器算法，以消除较高带宽噪声，并将最终ODR降至1 kSPS。最终均方根噪声将是3.55μV的大约四分之一，即0.9 μV。

作为一个例子，MCU软件FIR滤波器可以按图4所示构建，以平衡性能和群延迟。

 

地震信号链解决方案：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

 
ADI公司的LTC2500-32是一款集成可配置数字滤波器的低噪声、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位数字滤波的低噪声和低INL输出，使它特别适合地震学和能源勘探应用。
 
高阻抗源应加以缓冲以使采集期间的建立时间最短，并优化开关电容输入SAR ADC线性度。为获得最佳性能，应使用缓冲放大器来驱动LTC2500-32的模拟输入。必须设计一个分立PGIA电路来驱动LTC2500-32，以实现低噪声和低THD（PGIA部分引入的）。
 

PGIA实现

 
PGIA电路的主要规格包括：
 
► 电源：5 V（最小值）
► AD7768-1有19.7 mW的功耗，因此PGIA电路的功耗应小于13.3 mW，才能满足33 mW的功耗目标
► 噪声：增益 = 1时的噪声为0.178 μV rms，约为AD7768-1 1.78 μV rms的1/10
 
有三类PGIA拓扑结构：
 
► 集成PGIA
► 集成仪表放大器的分立PGIA
► 带运算放大器的分立PGIA
 
表1列出了ADI公司的数字PGIA。LTC6915的I_Q最低。噪声密度为50 nV/√Hz，430 Hz带宽内的积分噪声为1.036 μV rms，超过0.178 μV rms的目标值。因此，集成PGIA不是一个好的选择。
 
表2列出了几种仪表放大器，包括300μA I_Q的AD8422。它在430 Hz带宽内的积分噪声为1.645 μV rms，因此也不是一个好的选择。