地震电路设计使用的低功率芯片
地震电路设计使用的低功率芯片
日期：2024-05-06 09:53
浏览次数：16
摘要：我们将从电子学开始，因为我们认为这是大多数想要构建自己的系统的人陷入困境的地方。
我们见过的大多数地震电路设计都不使用微处理器，而是使用需要大量精密元件的滤波器设计。它们通常有一个放大器/滤波器板和另一块带有 A/D 和 PC 接口的板。他们还使用双电源。
我们尝试利用低功耗精密芯片和混合信号微处理器方面的一些至新进展。我们的设计目标是一个单板，可以用至少数量的廉价组件完成所有任务，并且可以使用单个 9 伏电池运行 100 小时（或者根本不需要电源！）。
这是我们对雷曼、 地震检波器和加速度计电子设备的...
我们将从电子学开始，因为我们认为这是大多数想要构建自己的系统的人陷入困境的地方。
我们见过的大多数地震电路设计都不使用微处理器，而是使用需要大量精密元件的滤波器设计。它们通常有一个放大器/滤波器板和另一块带有 A/D 和 PC 接口的板。他们还使用双电源。
我们尝试利用低功耗精密芯片和混合信号微处理器方面的一些新进展。我们的设计目标是一个单板，可以用至少数量的廉价组件完成所有任务，并且可以使用单个 9 伏电池运行 100 小时（或者根本不需要电源！）。
这是我们对雷曼、 地震检波器和加速度计电子设备的简化设计。它需要单端 5.1v 至 16v 电源并生成串行 (RS-232) 数据输出。由于采用 8 极贝塞尔滤波器和 16 位 A/D，因此不会牺牲信号处理质量。我们的电路仅使用4个低功耗芯片：
稳压器和参考芯片- 微功耗稳压器提供 100 mA 稳压器和精密电压参考。该芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，温度稳定性为 20 ppm/C。电阻分压器用于创建稳定的 2.5V 参考电压，用于偏置传感器线圈，以便电子设备可以使用单 5V 电源运行。20k欧姆分压器使用约0.25ma。净功率要求：0.35 mA @ 5v。电路板总电源要求足够低（~5 mA @ 5 V），因此可以 从 PC 串行端口获取电源。由于串口的12伏PC电源是由开关电源产生的，因此充满了尖峰，我们可以对其进行RC滤波以平滑它。到目前为止，我们还没有发现这是必要的。
放大器芯片- 为了让我们的电路能够使用单端 5v 电源工作，我们将传感器线圈偏置约 2.5 伏，并且我们有一个用于增益的运算放大器级（雷曼的增益约为 1.2k，雷曼的增益约为 2.6k）地震检波器）。所以我们的运算放大器输出是 2.5 伏加上放大的地震信号。这允许我们使用 0-5v 16 位 a/d，其中零信号传感器 a/d 输出约为 32768。我们的运算放大器芯片必须采用单 5V 电源供电，具有轨到轨输出、低噪声水平（低于 100 nV/\/Hz\ @10 Hz）、2.5 V 时的高 CMRR（超过 80 dB）、低失调漂移（低于 0.5 uV/C）、低失调电压（低于 500uF）和低功耗运行（低于 3 mA）。我们通过尝试其他一些不起作用的芯片，并将它们与起作用的芯片进行比较，得出了这些规格。
对于地震检波器等低阻抗传感器，我们喜欢低噪声、轨到轨精密运算放大器。它在源电阻 (Rs) 小于 400 欧姆且 Rs 可能高达 8k 欧姆时效果至佳。数据表显示，高于该值时，噪声明显更高。不过，这款芯片似乎与我们的 9k 雷曼线圈配合得很好。该芯片需要 5 伏、单电源、2.85 毫安。规格包括噪声 ~70 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~109 dB、偏移漂移 ~0.2 uV/C、输入偏移电压 ~60 uV。
对于更高阻抗的传感器，我们喜欢低噪声精密轨到轨输出运算放大器。该芯片需要 5 伏、单电源、1.5 毫安。规格包括噪声 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、输入偏移电压 ~500 uV。
由于运算放大器的输出进入开关电容滤波器，因此有必要抑制可能与开关频率混合的任何高频。我们发现，如果我们将 RC 滤波器截止值 (Fc1) 设置为开关电容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，则在运算放大器反馈电阻器 (Rf) 上使用电容器 (Cf) 的 RC 滤波器可以正常工作。例如，如果典型雷曼的 Fc2 为 1 Hz，则 Fc1 应为 1.5 Hz，并且应选择 Cf，以便 Fc1= 1.5 Hz = 1/(2*Pi*Cf*Rf)。对于 4.5 Hz 地震检波器，我们将 Fc1 设置为 4.5 Hz，将 Fc2 设置为大约 6.8 Hz。对于 ADXL105 加速度计，我们使用与 4.5 Hz 地震检波器相同的滤波，并且使用板载运算放大器而不是单独的增益运算放大器。
滤波器芯片- 8 阶、低通、贝塞尔、开关电容滤波器 低通截止由一个外部电容器配置。我们通常对雷曼地震检波器使用 1 Hz 的截止频率，对 4.5 Hz 地震检波器使用 4.5 Hz 的截止频率。该芯片需要 5 伏、单电源、2 毫安。-3 dB 滤波器截止 (Fc2)（以 Hz 为单位）由 Fc2=.380/C 确定，其中 C 是以 ufd 为单位的电容。例如，当 C = .380 ufd 时，则 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必须对开关电容器的输出进行滤波，以消除该芯片峰值为 100 倍 Fc2 的开关噪声。我们一般使用RC滤波器，其Fc3约为芯片Fc2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 为 1 Hz 的示例中，应选择 R3 和 C3，使得 Fc3 = 1/(2*Pi*R3*C3) = 1.5 Hz。对于 4.5 Hz 地震检波器，我们将 Fc3 设置为大约 6.8 Hz。对于 ADXL105 加速度计，我们使用与 4.5 Hz 地震检波器相同的滤波。
A/D 和 PC 接口芯片- 可编程混合信号控制器 ，使用我们编写的固件进行编程，用于配置 16 位 A/D 的 IC 引脚，以及串行输出到 PC。该芯片需要 5 伏、单电源、0.5 毫安。PIC 8 位微处理器可以在用 PicBasicPro或 CCS PIC C等语言编写的固件中进行编程。您也许可以使用 带有外部 A/D 芯片的Basic Stamp BS1 或 BS2处理器来代替 PIC14000。然而，这些处理器和A/D芯片可能会使用过多的功率而无法使用串行端口作为电源。
我们见过的大多数地震电路设计都不使用微处理器，而是使用需要大量精密元件的滤波器设计。它们通常有一个放大器/滤波器板和另一块带有 A/D 和 PC 接口的板。他们还使用双电源。
我们尝试利用低功耗精密芯片和混合信号微处理器方面的一些新进展。我们的设计目标是一个单板，可以用至少数量的廉价组件完成所有任务，并且可以使用单个 9 伏电池运行 100 小时（或者根本不需要电源！）。
这是我们对雷曼、 地震检波器和加速度计电子设备的简化设计。它需要单端 5.1v 至 16v 电源并生成串行 (RS-232) 数据输出。由于采用 8 极贝塞尔滤波器和 16 位 A/D，因此不会牺牲信号处理质量。我们的电路仅使用4个低功耗芯片：
稳压器和参考芯片- 微功耗稳压器提供 100 mA 稳压器和精密电压参考。该芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，温度稳定性为 20 ppm/C。电阻分压器用于创建稳定的 2.5V 参考电压，用于偏置传感器线圈，以便电子设备可以使用单 5V 电源运行。20k欧姆分压器使用约0.25ma。净功率要求：0.35 mA @ 5v。电路板总电源要求足够低（~5 mA @ 5 V），因此可以 从 PC 串行端口获取电源。由于串口的12伏PC电源是由开关电源产生的，因此充满了尖峰，我们可以对其进行RC滤波以平滑它。到目前为止，我们还没有发现这是必要的。
放大器芯片- 为了让我们的电路能够使用单端 5v 电源工作，我们将传感器线圈偏置约 2.5 伏，并且我们有一个用于增益的运算放大器级（雷曼的增益约为 1.2k，雷曼的增益约为 2.6k）地震检波器）。所以我们的运算放大器输出是 2.5 伏加上放大的地震信号。这允许我们使用 0-5v 16 位 a/d，其中零信号传感器 a/d 输出约为 32768。我们的运算放大器芯片必须采用单 5V 电源供电，具有轨到轨输出、低噪声水平（低于 100 nV/\/Hz\ @10 Hz）、2.5 V 时的高 CMRR（超过 80 dB）、低失调漂移（低于 0.5 uV/C）、低失调电压（低于 500uF）和低功耗运行（低于 3 mA）。我们通过尝试其他一些不起作用的芯片，并将它们与起作用的芯片进行比较，得出了这些规格。
对于地震检波器等低阻抗传感器，我们喜欢低噪声、轨到轨精密运算放大器。它在源电阻 (Rs) 小于 400 欧姆且 Rs 可能高达 8k 欧姆时效果至佳。数据表显示，高于该值时，噪声明显更高。不过，这款芯片似乎与我们的 9k 雷曼线圈配合得很好。该芯片需要 5 伏、单电源、2.85 毫安。规格包括噪声 ~70 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~109 dB、偏移漂移 ~0.2 uV/C、输入偏移电压 ~60 uV。
对于更高阻抗的传感器，我们喜欢低噪声精密轨到轨输出运算放大器。该芯片需要 5 伏、单电源、1.5 毫安。规格包括噪声 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、输入偏移电压 ~500 uV。
由于运算放大器的输出进入开关电容滤波器，因此有必要抑制可能与开关频率混合的任何高频。我们发现，如果我们将 RC 滤波器截止值 (Fc1) 设置为开关电容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，则在运算放大器反馈电阻器 (Rf) 上使用电容器 (Cf) 的 RC 滤波器可以正常工作。例如，如果典型雷曼的 Fc2 为 1 Hz，则 Fc1 应为 1.5 Hz，并且应选择 Cf，以便 Fc1= 1.5 Hz = 1/(2*Pi*Cf*Rf)。对于 4.5 Hz 地震检波器，我们将 Fc1 设置为 4.5 Hz，将 Fc2 设置为大约 6.8 Hz。对于 ADXL105 加速度计，我们使用与 4.5 Hz 地震检波器相同的滤波，并且使用板载运算放大器而不是单独的增益运算放大器。
滤波器芯片- 8 阶、低通、贝塞尔、开关电容滤波器 低通截止由一个外部电容器配置。我们通常对雷曼地震检波器使用 1 Hz 的截止频率，对 4.5 Hz 地震检波器使用 4.5 Hz 的截止频率。该芯片需要 5 伏、单电源、2 毫安。-3 dB 滤波器截止 (Fc2)（以 Hz 为单位）由 Fc2=.380/C 确定，其中 C 是以 ufd 为单位的电容。例如，当 C = .380 ufd 时，则 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必须对开关电容器的输出进行滤波，以消除该芯片峰值为 100 倍 Fc2 的开关噪声。我们一般使用RC滤波器，其Fc3约为芯片Fc2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 为 1 Hz 的示例中，应选择 R3 和 C3，使得 Fc3 = 1/(2*Pi*R3*C3) = 1.5 Hz。对于 4.5 Hz 地震检波器，我们将 Fc3 设置为大约 6.8 Hz。对于 ADXL105 加速度计，我们使用与 4.5 Hz 地震检波器相同的滤波。
A/D 和 PC 接口芯片- 可编程混合信号控制器 ，使用我们编写的固件进行编程，用于配置 16 位 A/D 的 IC 引脚，以及串行输出到 PC。该芯片需要 5 伏、单电源、0.5 毫安。PIC 8 位微处理器可以在用 PicBasicPro或 CCS PIC C等语言编写的固件中进行编程。您也许可以使用 带有外部 A/D 芯片的Basic Stamp BS1 或 BS2处理器来代替 PIC14000。然而，这些处理器和A/D芯片可能会使用过多的功率而无法使用串行端口作为电源。