地震電路設計使用的低功率芯片
地震電路設計使用的低功率芯片
日期：2025-11-17 18:35
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摘要：我們將從電子學開始，因為我們認為這是大多數想要構建自己的系統的人陷入困境的地方。
我們見過的大多數地震電路設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。
我們嘗試利用低功耗精密芯片和混合信號微處理器方面的一些至新進展。我們的設計目標是一個單板，可以用至少數量的廉價組件完成所有任務，并且可以使用單個 9 伏電池運行 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備的...
我們將從電子學開始，因為我們認為這是大多數想要構建自己的系統的人陷入困境的地方。
我們見過的大多數地震電路設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。
我們嘗試利用低功耗精密芯片和混合信號微處理器方面的一些新進展。我們的設計目標是一個單板，可以用至少數量的廉價組件完成所有任務，并且可以使用單個 9 伏電池運行 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備的簡化設計。它需要單端 5.1v 至 16v 電源并生成串行 (RS-232) 數據輸出。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量。我們的電路僅使用4個低功耗芯片：
穩壓器和參考芯片- 微功耗穩壓器提供 100 mA 穩壓器和精密電壓參考。該芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，溫度穩定性為 20 ppm/C。電阻分壓器用于創建穩定的 2.5V 參考電壓，用于偏置傳感器線圈，以便電子設備可以使用單 5V 電源運行。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電源是由開關電源產生的，因此充滿了尖峰，我們可以對其進行RC濾波以平滑它。到目前為止，我們還沒有發現這是必要的。
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）、低失調漂移（低于 0.5 uV/C）、低失調電壓（低于 500uF）和低功耗運行（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行比較，得出了這些規格。
對于地震檢波器等低阻抗傳感器，我們喜歡低噪聲、軌到軌精密運算放大器。它在源電阻 (Rs) 小于 400 歐姆且 Rs 可能高達 8k 歐姆時效果至佳。數據表顯示，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算放大器。該芯片需要 5 伏、單電源、1.5 毫安。規格包括噪聲 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、輸入偏移電壓 ~500 uV。
由于運算放大器的輸出進入開關電容濾波器，因此有必要抑制可能與開關頻率混合的任何高頻。我們發現，如果我們將 RC 濾波器截止值 (Fc1) 設置為開關電容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，則在運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 應為 1.5 Hz，并且應選擇 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 設置為 4.5 Hz，將 Fc2 設置為大約 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，并且使用板載運算放大器而不是單獨的增益運算放大器。
濾波器芯片- 8 階、低通、貝塞爾、開關電容濾波器 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 C = .380 ufd 時，則 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必須對開關電容器的輸出進行濾波，以消除該芯片峰值為 100 倍 Fc2 的開關噪聲。我們一般使用RC濾波器，其Fc3約為芯片Fc2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 為 1 Hz 的示例中，應選擇 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。
我們見過的大多數地震電路設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。
我們嘗試利用低功耗精密芯片和混合信號微處理器方面的一些新進展。我們的設計目標是一個單板，可以用至少數量的廉價組件完成所有任務，并且可以使用單個 9 伏電池運行 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備的簡化設計。它需要單端 5.1v 至 16v 電源并生成串行 (RS-232) 數據輸出。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量。我們的電路僅使用4個低功耗芯片：
穩壓器和參考芯片- 微功耗穩壓器提供 100 mA 穩壓器和精密電壓參考。該芯片需要 5.1 V 和 0.1 mA，溫度穩定性為 20 ppm/C。電阻分壓器用于創建穩定的 2.5V 參考電壓，用于偏置傳感器線圈，以便電子設備可以使用單 5V 電源運行。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電源是由開關電源產生的，因此充滿了尖峰，我們可以對其進行RC濾波以平滑它。到目前為止，我們還沒有發現這是必要的。
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）、低失調漂移（低于 0.5 uV/C）、低失調電壓（低于 500uF）和低功耗運行（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行比較，得出了這些規格。
對于地震檢波器等低阻抗傳感器，我們喜歡低噪聲、軌到軌精密運算放大器。它在源電阻 (Rs) 小于 400 歐姆且 Rs 可能高達 8k 歐姆時效果至佳。數據表顯示，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算放大器。該芯片需要 5 伏、單電源、1.5 毫安。規格包括噪聲 ~30 nV/\/Hz\ @10 Hz、CMRR ~85 dB、偏移漂移 ~0.5 uV/C、輸入偏移電壓 ~500 uV。
由于運算放大器的輸出進入開關電容濾波器，因此有必要抑制可能與開關頻率混合的任何高頻。我們發現，如果我們將 RC 濾波器截止值 (Fc1) 設置為開關電容器截止值 (Fc2) 的 1.5 倍左右，則在運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 應為 1.5 Hz，并且應選擇 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 設置為 4.5 Hz，將 Fc2 設置為大約 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，并且使用板載運算放大器而不是單獨的增益運算放大器。
濾波器芯片- 8 階、低通、貝塞爾、開關電容濾波器 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 C = .380 ufd 時，則 Fc2 = .380/C = 1 Hz。必須對開關電容器的輸出進行濾波，以消除該芯片峰值為 100 倍 Fc2 的開關噪聲。我們一般使用RC濾波器，其Fc3約為芯片Fc2的1.5倍。因此，在芯片 Fc2 為 1 Hz 的示例中，應選擇 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。