地震電路設(shè)計使用的低功率芯片
地震電路設(shè)計使用的低功率芯片
日期：2024-08-21 00:15
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摘要：我們將從電子學(xué)開始，因為我們認(rèn)為這是大多數(shù)想要構(gòu)建自己的系統(tǒng)的人陷入困境的地方。
我們見過的大多數(shù)地震電路設(shè)計都不使用微處理器，而是使用需要大量精密元件的濾波器設(shè)計。它們通常有一個放大器/濾波器板和另一塊帶有 A/D 和 PC 接口的板。他們還使用雙電源。
我們嘗試?yán)玫凸木苄酒突旌闲盘栁⑻幚砥鞣矫娴囊恍┲列逻M(jìn)展。我們的設(shè)計目標(biāo)是一個單板，可以用至少數(shù)量的廉價組件完成所有任務(wù)，并且可以使用單個 9 伏電池運(yùn)行 100 小時（或者根本不需要電源！）。
這是我們對雷曼、 地震檢波器和加速度計電子設(shè)備的...
我們將從電子學(xué)開始，因為我們認(rèn)為這是大多數(shù)想要構(gòu)建自己的系統(tǒng)的人陷入困境的地方。
我們見過的大多數(shù)地震電路設(shè)計都不使用微處理器，而是使用需要大量精密元件的濾波器設(shè)計。它們通常有一個放大器/濾波器板和另一塊帶有 A/D 和 PC 接口的板。他們還使用雙電源。
我們嘗試?yán)玫凸木苄酒突旌闲盘栁⑻幚砥鞣矫娴囊恍┬逻M(jìn)展。我們的設(shè)計目標(biāo)是一個單板，可以用至少數(shù)量的廉價組件完成所有任務(wù)，并且可以使用單個 9 伏電池運(yùn)行 100 小時（或者根本不需要電源！）。
這是我們對雷曼、 地震檢波器和加速度計電子設(shè)備的簡化設(shè)計。它需要單端 5.1v 至 16v 電源并生成串行 (RS-232) 數(shù)據(jù)輸出。由于采用 8 極貝塞爾濾波器和 16 位 A/D，因此不會犧牲信號處理質(zhì)量。我們的電路僅使用4個低功耗芯片：
穩(wěn)壓器和參考芯片- 微功耗穩(wěn)壓器提供 100 mA 穩(wěn)壓器和精密電壓參考。該芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，溫度穩(wěn)定性為 20 ppm/C。電阻分壓器用于創(chuàng)建穩(wěn)定的 2.5V 參考電壓，用于偏置傳感器線圈，以便電子設(shè)備可以使用單 5V 電源運(yùn)行。20k歐姆分壓器使用約0.25ma。凈功率要求：0.35 mA @ 5v。電路板總電源要求足夠低（~5 mA @ 5 V），因此可以 從 PC 串行端口獲取電源。由于串口的12伏PC電源是由開關(guān)電源產(chǎn)生的，因此充滿了尖峰，我們可以對其進(jìn)行RC濾波以平滑它。到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)這是必要的。
放大器芯片- 為了讓我們的電路能夠使用單端 5v 電源工作，我們將傳感器線圈偏置約 2.5 伏，并且我們有一個用于增益的運(yùn)算放大器級（雷曼的增益約為 1.2k，雷曼的增益約為 2.6k）地震檢波器）。所以我們的運(yùn)算放大器輸出是 2.5 伏加上放大的地震信號。這允許我們使用 0-5v 16 位 a/d，其中零信號傳感器 a/d 輸出約為 32768。我們的運(yùn)算放大器芯片必須采用單 5V 電源供電，具有軌到軌輸出、低噪聲水平（低于 100 nV/\/Hz\ @10 Hz）、2.5 V 時的高 CMRR（超過 80 dB）、低失調(diào)漂移（低于 0.5 uV/C）、低失調(diào)電壓（低于 500uF）和低功耗運(yùn)行（低于 3 mA）。我們通過嘗試其他一些不起作用的芯片，并將它們與起作用的芯片進(jìn)行比較，得出了這些規(guī)格。
對于地震檢波器等低阻抗傳感器，我們喜歡低噪聲、軌到軌精密運(yùn)算放大器。它在源電阻 (Rs) 小于 400 歐姆且 Rs 可能高達(dá) 8k 歐姆時效果至佳。數(shù)據(jù)表顯示，高于該值時，噪聲明顯更高。不過，這款芯片似乎與我們的 9k 雷曼線圈配合得很好。該芯片需要 5 伏、單電源、2.85 毫安。規(guī)格包括噪聲 ~70 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~109 dB、偏移漂移 ~0.2 uV/C、輸入偏移電壓 ~60 uV。
對于更高阻抗的傳感器，我們喜歡低噪聲精密軌到軌輸出運(yùn)算放大器。該芯片需要 5 伏、單電源、1.5 毫安。規(guī)格包括噪聲 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、輸入偏移電壓 ~500 uV。
由于運(yùn)算放大器的輸出進(jìn)入開關(guān)電容濾波器，因此有必要抑制可能與開關(guān)頻率混合的任何高頻。我們發(fā)現(xiàn)，如果我們將 RC 濾波器截止值 (Fc1) 設(shè)置為開關(guān)電容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，則在運(yùn)算放大器反饋電阻器 (Rf) 上使用電容器 (Cf) 的 RC 濾波器可以正常工作。例如，如果典型雷曼的 Fc2 為 1 Hz，則 Fc1 應(yīng)為 1.5 Hz，并且應(yīng)選擇 Cf，以便 Fc1= 1.5 Hz = 1/(2*Pi*Cf*Rf)。對于 4.5 Hz 地震檢波器，我們將 Fc1 設(shè)置為 4.5 Hz，將 Fc2 設(shè)置為大約 6.8 Hz。對于 ADXL105 加速度計，我們使用與 4.5 Hz 地震檢波器相同的濾波，并且使用板載運(yùn)算放大器而不是單獨(dú)的增益運(yùn)算放大器。
濾波器芯片- 8 階、低通、貝塞爾、開關(guān)電容濾波器 低通截止由一個外部電容器配置。我們通常對雷曼地震檢波器使用 1 Hz 的截止頻率，對 4.5 Hz 地震檢波器使用 4.5 Hz 的截止頻率。該芯片需要 5 伏、單電源、2 毫安。-3 dB 濾波器截止 (Fc2)（以 Hz 為單位）由 Fc2=.380/C 確定，其中 C 是以 ufd 為單位的電容。例如，當(dāng) C = .380 ufd 時，則 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必須對開關(guān)電容器的輸出進(jìn)行濾波，以消除該芯片峰值為 100 倍 Fc2 的開關(guān)噪聲。我們一般使用RC濾波器，其Fc3約為芯片F(xiàn)c2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 為 1 Hz 的示例中，應(yīng)選擇 R3 和 C3，使得 Fc3 = 1/(2*Pi*R3*C3) = 1.5 Hz。對于 4.5 Hz 地震檢波器，我們將 Fc3 設(shè)置為大約 6.8 Hz。對于 ADXL105 加速度計，我們使用與 4.5 Hz 地震檢波器相同的濾波。
A/D 和 PC 接口芯片- 可編程混合信號控制器 ，使用我們編寫的固件進(jìn)行編程，用于配置 16 位 A/D 的 IC 引腳，以及串行輸出到 PC。該芯片需要 5 伏、單電源、0.5 毫安。PIC 8 位微處理器可以在用 PicBasicPro或 CCS PIC C等語言編寫的固件中進(jìn)行編程。您也許可以使用 帶有外部 A/D 芯片的Basic Stamp BS1 或 BS2處理器來代替 PIC14000。然而，這些處理器和A/D芯片可能會使用過多的功率而無法使用串行端口作為電源。
我們見過的大多數(shù)地震電路設(shè)計都不使用微處理器，而是使用需要大量精密元件的濾波器設(shè)計。它們通常有一個放大器/濾波器板和另一塊帶有 A/D 和 PC 接口的板。他們還使用雙電源。
我們嘗試?yán)玫凸木苄酒突旌闲盘栁⑻幚砥鞣矫娴囊恍┬逻M(jìn)展。我們的設(shè)計目標(biāo)是一個單板，可以用至少數(shù)量的廉價組件完成所有任務(wù)，并且可以使用單個 9 伏電池運(yùn)行 100 小時（或者根本不需要電源！）。
這是我們對雷曼、 地震檢波器和加速度計電子設(shè)備的簡化設(shè)計。它需要單端 5.1v 至 16v 電源并生成串行 (RS-232) 數(shù)據(jù)輸出。由于采用 8 極貝塞爾濾波器和 16 位 A/D，因此不會犧牲信號處理質(zhì)量。我們的電路僅使用4個低功耗芯片：
穩(wěn)壓器和參考芯片- 微功耗穩(wěn)壓器提供 100 mA 穩(wěn)壓器和精密電壓參考。該芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，溫度穩(wěn)定性為 20 ppm/C。電阻分壓器用于創(chuàng)建穩(wěn)定的 2.5V 參考電壓，用于偏置傳感器線圈，以便電子設(shè)備可以使用單 5V 電源運(yùn)行。20k歐姆分壓器使用約0.25ma。凈功率要求：0.35 mA @ 5v。電路板總電源要求足夠低（~5 mA @ 5 V），因此可以 從 PC 串行端口獲取電源。由于串口的12伏PC電源是由開關(guān)電源產(chǎn)生的，因此充滿了尖峰，我們可以對其進(jìn)行RC濾波以平滑它。到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)這是必要的。
放大器芯片- 為了讓我們的電路能夠使用單端 5v 電源工作，我們將傳感器線圈偏置約 2.5 伏，并且我們有一個用于增益的運(yùn)算放大器級（雷曼的增益約為 1.2k，雷曼的增益約為 2.6k）地震檢波器）。所以我們的運(yùn)算放大器輸出是 2.5 伏加上放大的地震信號。這允許我們使用 0-5v 16 位 a/d，其中零信號傳感器 a/d 輸出約為 32768。我們的運(yùn)算放大器芯片必須采用單 5V 電源供電，具有軌到軌輸出、低噪聲水平（低于 100 nV/\/Hz\ @10 Hz）、2.5 V 時的高 CMRR（超過 80 dB）、低失調(diào)漂移（低于 0.5 uV/C）、低失調(diào)電壓（低于 500uF）和低功耗運(yùn)行（低于 3 mA）。我們通過嘗試其他一些不起作用的芯片，并將它們與起作用的芯片進(jìn)行比較，得出了這些規(guī)格。
對于地震檢波器等低阻抗傳感器，我們喜歡低噪聲、軌到軌精密運(yùn)算放大器。它在源電阻 (Rs) 小于 400 歐姆且 Rs 可能高達(dá) 8k 歐姆時效果至佳。數(shù)據(jù)表顯示，高于該值時，噪聲明顯更高。不過，這款芯片似乎與我們的 9k 雷曼線圈配合得很好。該芯片需要 5 伏、單電源、2.85 毫安。規(guī)格包括噪聲 ~70 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~109 dB、偏移漂移 ~0.2 uV/C、輸入偏移電壓 ~60 uV。
對于更高阻抗的傳感器，我們喜歡低噪聲精密軌到軌輸出運(yùn)算放大器。該芯片需要 5 伏、單電源、1.5 毫安。規(guī)格包括噪聲 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、輸入偏移電壓 ~500 uV。
由于運(yùn)算放大器的輸出進(jìn)入開關(guān)電容濾波器，因此有必要抑制可能與開關(guān)頻率混合的任何高頻。我們發(fā)現(xiàn)，如果我們將 RC 濾波器截止值 (Fc1) 設(shè)置為開關(guān)電容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，則在運(yùn)算放大器反饋電阻器 (Rf) 上使用電容器 (Cf) 的 RC 濾波器可以正常工作。例如，如果典型雷曼的 Fc2 為 1 Hz，則 Fc1 應(yīng)為 1.5 Hz，并且應(yīng)選擇 Cf，以便 Fc1= 1.5 Hz = 1/(2*Pi*Cf*Rf)。對于 4.5 Hz 地震檢波器，我們將 Fc1 設(shè)置為 4.5 Hz，將 Fc2 設(shè)置為大約 6.8 Hz。對于 ADXL105 加速度計，我們使用與 4.5 Hz 地震檢波器相同的濾波，并且使用板載運(yùn)算放大器而不是單獨(dú)的增益運(yùn)算放大器。
濾波器芯片- 8 階、低通、貝塞爾、開關(guān)電容濾波器 低通截止由一個外部電容器配置。我們通常對雷曼地震檢波器使用 1 Hz 的截止頻率，對 4.5 Hz 地震檢波器使用 4.5 Hz 的截止頻率。該芯片需要 5 伏、單電源、2 毫安。-3 dB 濾波器截止 (Fc2)（以 Hz 為單位）由 Fc2=.380/C 確定，其中 C 是以 ufd 為單位的電容。例如，當(dāng) C = .380 ufd 時，則 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必須對開關(guān)電容器的輸出進(jìn)行濾波，以消除該芯片峰值為 100 倍 Fc2 的開關(guān)噪聲。我們一般使用RC濾波器，其Fc3約為芯片F(xiàn)c2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 為 1 Hz 的示例中，應(yīng)選擇 R3 和 C3，使得 Fc3 = 1/(2*Pi*R3*C3) = 1.5 Hz。對于 4.5 Hz 地震檢波器，我們將 Fc3 設(shè)置為大約 6.8 Hz。對于 ADXL105 加速度計，我們使用與 4.5 Hz 地震檢波器相同的濾波。
A/D 和 PC 接口芯片- 可編程混合信號控制器 ，使用我們編寫的固件進(jìn)行編程，用于配置 16 位 A/D 的 IC 引腳，以及串行輸出到 PC。該芯片需要 5 伏、單電源、0.5 毫安。PIC 8 位微處理器可以在用 PicBasicPro或 CCS PIC C等語言編寫的固件中進(jìn)行編程。您也許可以使用 帶有外部 A/D 芯片的Basic Stamp BS1 或 BS2處理器來代替 PIC14000。然而，這些處理器和A/D芯片可能會使用過多的功率而無法使用串行端口作為電源。