Геофоны и акселерометры, Измерения микросейсмических колебаний Опции

[ToR_TDA]

Здравствуйте, форумчане!
В аппаратуре ВСП (Вертикального сейсмического профилирования), традиционно применяют электродинамических сейсмоприемники - геофоны, но в последние годы были выпущены некоторые модели акселерометров с характеристиками подходящими для измерения микросейсмических колебаний. Вопрос заключается в том, как сравнить эти виды датчиков. Например, важным параметром является пороговая чувствительность датчика.
Для геофона расчет выглядит так: напряжение теплового шума e_ш = √4kTRΔf , пороговая чувствительность - X_min = e_ш/S [м/сек] , где S - чувствительность геофона. А вот как сравнить пороговые чувствительности по скорости акселерометров и геофонов?
Выход акселерометра ускорение, значит нужно сначала интегрировать, а затем сравнивать. Помогите разобраться.

[Ruslan1]

мне кажется, что лучше геофонов могут быть только геофоны
А с всевозможными MEMS-датчиками можете для начала просто спектральную плотность шумов ("Output noise density" или подобное) смотреть, она в даташите приводится, ну и пересчитать для нужной вам полосы.

А какие это "некоторые модели акселерометров с характеристиками подходящими для измерения микросейсмических колебаний" ?

[Alexashka]

Гляньте тут  _______________________.pdf ( 90.31 килобайт ) Кол-во скачиваний: 3296
, есть немного теме

[ToR_TDA]

А какие это "некоторые модели акселерометров с характеристиками подходящими для измерения микросейсмических колебаний" ?

Их не так много, перечислю некоторые: model 86 - Endevco, 87-10 - Endevco, SF1500 - Colibrys, и у Wilcoxon есть пару.
Я не утверждаю, что есть акселерометры по параметрам лучше, чем геофоны (для задач сейсмики), мне интереснее узнать способ как их сравнивать в конкретных цифрах. Например, в цифрах пороговой чувствительности. Для датчиков ускорения мы, например, можем широкополосный шум разделить на чувствительность и получим вроде как широкополосную пороговую чувствительность (если такое понятие вообще существует).
Во-первых, полученное значение будет в единицах ускорения, а во-вторых я не уверен, что так вообще можно что-то считать и сравнивать.

есть немного теме

Alexashka, спасибо. Пока только не могу найти спецификацию, описанного в статье СВУ-3.

[Ruslan1]

Пока только не могу найти спецификацию, описанного в статье СВУ-3.

Фи!
Вы им испытания для опытной партии делать собираетесь или таки просто использовать сенсор выпускаемый какими-то тиражами и уже имеющий статистику?
(Думаю, нужную вам спецификацию еще не придумали)

В настоящее время между “СИ Технолоджи Инструментс” и ГФУП “ВНИИГе-
офизика” действует договор о подготовке документации на мелкосерийное произ-
водство СВУ-3 с рабочим частотным диапазоном от 3 до 250 Гц.

Их не так много, перечислю некоторые: model 86 - Endevco, 87-10 - Endevco, SF1500 - Colibrys, и у Wilcoxon есть пару.

Не, меня малогабаритность интересует, чуда хочу. А если килограммы- так уж чем геофон хуже.

[ToR_TDA]

Фи!
Вы им испытания для опытной партии делать собираетесь или таки просто использовать сенсор выпускаемый какими-то тиражами и уже имеющий статистику?

В целом, я не думаю, что для ВСП сейчас есть все условия для перехода на иные, нежели геофоны, первичные преобразователи. Но такие попытки, тем не менее, осуществляются. Я пытаюсь рассмотреть некоторые варианты и сравнить их. Например, акселерометр endevco 7703A-1000 был в составе ВСП системы, представленной на World Geothermal Congress 2010. Да, акселерометры проигрывают по шумам геофонам, но при высоких температурах (150ºС) это не так очевидно т.к. эти преобразователи имеют спецификацию для работы при таких температурах.

(Думаю, нужную вам спецификацию еще не придумали)

Статья по поводу СВУ-3 была опубликована в "Приборы и системы разведочной геофизики №1(19)/2007", с тех пор прошло некоторое время.
И, прошу заметить, мы отклонились от темы, меня интересует вопрос, как по спецификациям сравнить геофоны и акселерометры.

[ToR_TDA]

Нашел анализ шумовых характеристик, интересующих меня акселерометров, вот здесь:
http://doc.utwente.nl/71347/1/thesis_G_van_der_Poel.pdf

[Alexashka]

Нашел анализ шумовых характеристик, интересующих меня акселерометров, вот здесь:
http://doc.utwente.nl/71347/1/thesis_G_van_der_Poel.pdf

Интересно, судя по всему работа проведена серьезная и практическая и теоретическая. И выходит что Большой акселерометр по шумам лучше, чем геофон . Что расходится с данными из статьи Рыжова. Возможно причина в том, что авторам не удалось нормально снять сигнал с геофона не задрав шумы. Как они сами пишут "очевидно, что сигнал с геофона в 100 раз более шумный, чем ожидалось по расчетам". Вообще связка из OP27, OP37 где шумы обоих складываются видится неудачной, да и параметров элементов не дают, такшта...


С другой стороны, датчик в 7 раз более тяжелый должен иметь примерно во столько же раз бОльшую чувствительность, и если бы они взяли геофон весом 700г думаю необходимость в сравнении вообще бы отпала

[ToR_TDA]

Вообще связка из OP27, OP37 где шумы обоих складываются видится неудачной, да и параметров элементов не дают, такшта...

Да, такое схемотехническое решение не совсем понятно, лучших показателей можно было бы достичь, применив, например, один AD797.

Сообщение отредактировал ToR_TDA - Sep 13 2011, 17:04

[Alexashka]

Да, такое схемотехническое решение не совсем понятно, лучших показателей можно было бы достичь, применив, например, один AD797.

Я кстати щас делаю схемку на транзисторах (МШУ) для геофона GS-20dx, коэф.шума будет близким к 1. Правда там другие проблемы потом будут- сеймических шумов выше крыши. Кстати в помещении с геофонами тоже проблема - они хорошо ловят еще и магнитные наводки, хотя это в основном 50Гц и гармоники.

[ToR_TDA]

Я кстати щас делаю схемку на транзисторах (МШУ) для геофона GS-20dx, коэф.шума будет близким к 1. Правда там другие проблемы потом будут- сеймических шумов выше крыши. Кстати в помещении с геофонами тоже проблема - они хорошо ловят еще и магнитные наводки, хотя это в основном 50Гц и гармоники.

Интересно было бы узнать поподробнее, и с картинками
По этому поводу есть вот здесь: http://www.beis.de/Elektronik/LNPreAmp/LNPreAmp.html
Хотя, не совсем ясно, имеет ли смысл делать ультра малошумящие усилители для геофонов при том, что собственный тепловой шум в полосе 10 - 250 Гц составляет порядка 35нВ.

[Alexashka]

Интересно было бы узнать поподробнее, и с картинками
По этому поводу есть вот здесь: http://www.beis.de/Elektronik/LNPreAmp/LNPreAmp.html
Хотя, не совсем ясно, имеет ли смысл делать ультра малошумящие усилители для геофонов при том, что собственный тепловой шум в полосе 10 - 250 Гц составляет порядка 35нВ.

Картинок пока нет, есть только схема, но ее надо еще опробовать. Если интересно могу приложить потом.

А по поводу Ваших сомнений, - и да, и нет. Взять к примеру AD797, по даташиту нам говорят что он дает 50нВ п-п в полосе 0,1-10Гц, если еще грубо добавить сюда шумы в полоске 300 Гц (en=1нВ/sqrt(Гц)) выйдет порядка 20нВ эффективного шума. Сам датчик в этой полоске шумит примерно 40нВ эфф. Т.е коэф.шума такого усилителя близок к 1. Все супер...Но. Это учитывая ток потребления ОУ 8мА и пиитании +/-15В. Получить такой же Кш при потреблении усилка 100-200мкА весьма проблематично. А мне это просто необходимо, поскольку датчики должны работать от батареек и как можно дольше.

[ToR_TDA]

А по поводу Ваших сомнений, - и да, и нет. Взять к примеру AD797, по даташиту нам говорят что он дает 50нВ п-п в полосе 0,1-10Гц, если еще грубо добавить сюда шумы в полоске 300 Гц (en=1нВ/sqrt(Гц)) выйдет порядка 20нВ эффективного шума. Сам датчик в этой полоске шумит примерно 40нВ эфф. Т.е коэф.шума такого усилителя близок к 1. Все супер...Но. Это учитывая ток потребления ОУ 8мА и пиитании +/-15В. Получить такой же Кш при потреблении усилка 100-200мкА весьма проблематично. А мне это просто необходимо, поскольку датчики должны работать от батареек и как можно дольше.

Тепловой шум прибора ВСП с геофоном GS-20DX можно наблюдать ниже глубин ≈500м. Его величина порядка 50нВ.
По мере подъема к поверхности уровень микросейсм возрастает до величин 2÷20мкВ.
С учетом этого для скважинных измерений нужен датчик с низким уровнем шумов (геофон). А для наблюдений на поверхности будут пригодны и геофон и акселерометр, в совокупности с тривиальным усилителем, имеющим собственный шум порядка 100-200мкВ.

[Alexashka]

Тепловой шум прибора ВСП с геофоном GS-20DX можно наблюдать ниже глубин ≈500м. Его величина порядка 50нВ.
По мере подъема к поверхности уровень микросейсм возрастает до величин 2ч20мкВ.
С учетом этого для скважинных измерений нужен датчик с низким уровнем шумов (геофон). А для наблюдений на поверхности будут пригодны и геофон и акселерометр, в совокупности с тривиальным усилителем, имеющим собственный шум порядка 100-200мкВ.

Интересно, не имел счастья поработать с такой техникой. Кстати у Вас имеется инфа по поводу применяемой там схемотехники? Вообще это автономный прибор?
Мы тоже думали использовать акселерометры для наземных наблюдений (установка в грунт на глубину до 0,5м), но реальные испытания показали полную нереальность их применения . У них был огромный шум (как электрический, так и сейсмический) на высоких частотах и даже фильтрация сигнала с диапазоне до 30Гц не позволяла ему сравнится с "красивым" геофонным сигналом.


Вот картинка где запись сигналов одновременно геофона (GS-20) и акселерометра. Аксель конечно не B&K, а какойто малоизвестный ПС-004, но это единственное что удалось найти из малогабаритного.



ЗЫ. Кстати забыл спросить, вот эти 2-20мкВ которые Вы приводите это к чему относится? К атмосферным шумам?
Вот Вы говорите можно взять тривиальный усилитель с геофоном, а вот к примеру сигнал шагов человека на расст.более 20м уже сливается с фоновыми шумами, а при должной обработке он уже сравнивается с электрическими шумами усилителя (в моем случае применялся OPA378, у него отсутствует фликер-шум). На еще бОльшем растоянии выделение полезного сигнала становится вообще не реальным.

[ToR_TDA]

Интересно, не имел счастья поработать с такой техникой. Кстати у Вас имеется инфа по поводу применяемой там схемотехники? Вообще это автономный прибор?

Схемотехника усилителя геофона там традиционная: очень малошумный ОУ в неинвертирующем включении.
Прибор не автономный, питание поступает по каротажному кабелю. В связи с этим остро проблема с потреблением не стоит, по крайней мере не имеет смысла экономить на входном каскаде. Для автономного питания от батарейки такая схема малопригодна.

Мы тоже думали использовать акселерометры для наземных наблюдений (установка в грунт на глубину до 0,5м), но реальные испытания показали полную нереальность их применения . У них был огромный шум (как электрический, так и сейсмический) на высоких частотах и даже фильторация сигнала с диапазоне до 30Гц не позволяла ему сравнится с "красивым" геофонным сигналом.
Вот картинка где запись сигналов одновременно геофона (GS-20) и акселерометра. Аксель конечно не B&K, а какойто малоизвестный ПС-004, но это единственное что удалось найти из малогабаритного.

Наглядно и, в целом, все это подтверждает мое мнение. Использование геофона, как в наземной так и скважиной сейсмики, предпочтительно. Жаль, что на данный момент сам не могу провести испытания малошумных акселерометров.
Малогабаритность для нас тоже очень важна и кроме этого высокая температура. Мои надежды были на 7703A-1000, он удовлетворяет всем нашим требованиям кроме шумов.

ЗЫ. Кстати забыл спросить, вот эти 2-20мкВ которые Вы приводите это к чему относится? К атмосферным шумам?
Вот Вы говорите можно взять тривиальный усилитель с геофоном, а вот к примеру сигнал шагов человека на расст.более 20м уже сливается с фоновыми шумами, а при должной обработке он уже сравнивается с электрическими шумами усилителя (в моем случае применялся OPA378, у него отсутствует фликер-шум). На еще бОльшем растоянии выделение полезного сигнала становится вообще не реальным.

Про микросейсмы вы можете найти в книге В.В.Палагин «Сейсморазведка малых глубин». Там написано: Микросейсмы возбуждаются разнообразными естественными и промышленными источниками: воздействие на грунт ветра, текущей воды, транспорта, энергетических установок, работающих механизмов и пр. Энергия микросейсм расположена в низкочастотной части спектра (3-5Гц), на частотах 10-20Гц она падает на 2 порядка.
p.s. Какая разрядность АЦП была при записи сигналов? Датчики подключались напрямую к АЦП?

Сообщение отредактировал ToR_TDA - Sep 16 2011, 10:41

[Holly]

Все, что Вам нужно, в самом новейшем и, одновременно, предельно простом исполнении изложено здесь:
http://www.ti.com/lit/ds/sbas446f/sbas446f.pdf
Схема представлена на фиг.71.
З.Ы. Про интегрирование ускорения Вы поняли совершенно правильно.

[Ruslan1]

Все, что Вам нужно, в самом новейшем и, одновременно, предельно простом исполнении изложено здесь:
http://www.ti.com/lit/ds/sbas446f/sbas446f.pdf
Схема представлена на фиг.71.

года три назад я заказывал семплы ads1281 и 1282. Реально игрался кажется только с 1281. Результаты не впечатлили. Да, SNR примерно в два раза лучше стало, но, учитывая удобство применения(у него даже CS нету в интерфейсе!) и цену, все-таки остались на ADS1255.

[Holly]

года три назад я заказывал семплы ads1281 и 1282. Реально игрался кажется только с 1281. Результаты не впечатлили. Да, SNR примерно в два раза лучше стало, но, учитывая удобство применения(у него даже CS нету в интерфейсе!) и цену, все-таки остались на ADS1255.

ага, а еще ADS1258 и тд. Кому что - кому шумы, кому количество каналов и тд. Однако, 1282 имеет, насколько я помню, одно неоспоримое достоинство - он выпускается еще и в high temperature версии для для работы в условиях повышенных температур до 210 по Цельсию. Цена там, понятно, но это уж кому что, опять.

[Ruslan1]

ага, а еще ADS1258 и тд. Кому что - кому шумы, кому количество каналов и тд. Однако, 1282 имеет, насколько я помню, одно неоспоримое достоинство - он выпускается еще и в high temperature версии для для работы в условиях повышенных температур до 210 по Цельсию. Цена там, понятно, но это уж кому что, опять.

кстати 1258 я тоже применял, очень неплохой АЦП для своего круга медленных и неодновременносемплируемых задач.
Насчет 1255- так там один канал-то. Так что я из тех получился кому "итд" перевесило шумы. Зарубку на память конечно поставил, что, изменив схему и фирмварю так-то, можно увеличить SNR, но дальше зарубки дело не пошло.
Также и с температурой- кому как, 210 это конечно круто, но для узкого круга крутых профессионалов

[Alexashka]

Про микросейсмы вы можете найти в книге В.В.Палагин «Сейсморазведка малых глубин». Там написано: Микросейсмы возбуждаются разнообразными естественными и промышленными источниками: воздействие на грунт ветра, текущей воды, транспорта, энергетических установок, работающих механизмов и пр. Энергия микросейсм расположена в низкочастотной части спектра (3-5Гц), на частотах 10-20Гц она падает на 2 порядка.
p.s. Какая разрядность АЦП была при записи сигналов? Датчики подключались напрямую к АЦП?

К сожалению не имею этой книжки, у Вас нет ее в электронном виде?

Хммм..странно, насколько я знаю спектр естественного шума или даже техногенный шум, подчиняется закону 1/f. А тут выходит зависимость порядка 2-3 степени?

Записывалось 16-разрядным АЦП, но это не суть, т.к в обоих каналах были предусилители (в гефонном Ку=500, в акселе не помню, но тоже очень большой).

[VSP]

Вот Вы говорите можно взять тривиальный усилитель с геофоном, а вот к примеру сигнал шагов человека на расст.более 20м уже сливается с фоновыми шумами, а при должной обработке он уже сравнивается с электрическими шумами усилителя (в моем случае применялся OPA378, у него отсутствует фликер-шум). На еще бОльшем растоянии выделение полезного сигнала становится вообще не реальным.

Имеем:
-фон шума на выходе датчика более 2мкВ.
- большое (5мА) потребление в измерительном канале.
- плохое соотношение сигнал/помеха. (шум человека на удалении 20м скрывается за фоном микросейсм.
Предлагается
- применим в канале усилитель с микро потреблением с уровнем собственных шумов 0,4-0,6 мкВ. Потребление в канале снизится примерно в 50 раз, а совокупный шум возрастет на (5-10)%.
- ограничим выигрыш по току величиной 10 раз. Это позволит нам далее сгустить сеть датчиков в 5 раз. (50/10 = 5). Если ранее датчики мы ставили с шагом 40м, то теперь поставим с шагом 8 метров. Дальность до цели сократилась в 5 раз, а сигнал, соответственно, увеличится в 25 раз.
Итого:
- система стала в 5 раз сложнее
- потребление сократилось в 10 раз.
- сигнал от цели при пересечении линии датчиков вырос в 25 раз.

[Alexashka]

Имеем:
-фон шума на выходе датчика более 2мкВ.
- большое (5мА) потребление в измерительном канале.
- плохое соотношение сигнал/помеха. (шум человека на удалении 20м скрывается за фоном микросейсм.
Предлагается
- применим в канале усилитель с микро потреблением с уровнем собственных шумов 0,4-0,6 мкВ. Потребление в канале снизится примерно в 50 раз, а совокупный шум возрастет на (5-10)%.
- ограничим выигрыш по току величиной 10 раз. Это позволит нам далее сгустить сеть датчиков в 5 раз. (50/10 = 5). Если ранее датчики мы ставили с шагом 40м, то теперь поставим с шагом 8 метров. Дальность до цели сократилась в 5 раз, а сигнал, соответственно, увеличится в 25 раз.
Итого:
- система стала в 5 раз сложнее
- потребление сократилось в 10 раз.
- сигнал от цели при пересечении линии датчиков вырос в 25 раз.

Это Ваше решение? Вообщето идея была как раз наоборот- увеличить дальность обнаружения и соответственно уменьшить число датчиков (низкое потребление требуется для другого- для более долгой автономной работы). Дело в том что если это барьерная система с большой протяженностью, то кол-во датчиков (и узлов-ретрансляторов) возрастает до астрономической величины. Например чтобы перегородить 1км нужно (с учетом перекрытия зон соседних датчиков=0.5) 1000/(8+8*0.5)=83 датчика и столько же узлов обработки и ретрансляции. А если 10км?


С микросейсмами пока не ясно. Похоже все-таки основной вклад дают техногенные шумы, которые будут отсутствовать в дали от городов. Скоро обработаю и выложу то что намеряли вчера вечером (когда народ поуходил с предприятия и повыключались все шумящие установки)

[ToR_TDA]

К сожалению не имею этой книжки, у Вас нет ее в электронном виде?

Хммм..странно, насколько я знаю спектр естественного шума или даже техногенный шум, подчиняется закону 1/f. А тут выходит зависимость порядка 2-3 степени?

В электронном виде нет. Я отсканировал Вам главу про микросейсмы. Не знаю поможет ли.

Все, что Вам нужно, в самом новейшем и, одновременно, предельно простом исполнении изложено здесь:
http://www.ti.com/lit/ds/sbas446f/sbas446f.pdf
Схема представлена на фиг.71.

К сожалению, такое включение геофона мне не подходит. В системах ВСП сигнал с датчика усиливается в 1000-2000 раз малошумящим усилителем прежде чем попасть на вход АЦП. АЦП в свою очередь должен одновременно брать выборки с 4 и более каналов. ADS1278-HT подходящее решение.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ToR_TDA]

Нашел неплохую статью про расчет шумов и их анализ в Microcap, прикрепил.
И у меня еще есть вопрос не совсем в тему: пытаюсь рассчитать шум ОУ AD797 по формуле 17 из SLVA043b только без заморочек с интегрированием (по табличным значениям как в описании к OPA211) . Интересующий меня диапазон 10-250Гц, а беда в том что для AD797 токовый шум дан только при частоте 1кГц. Может как-то из Spice модели можно узнать шумовую характеристику тока до 1кГц? (модель здесь)

Прикрепленные файлы

 ___.pdf ( 293.95 килобайт ) Кол-во скачиваний: 711

 

[Alexashka]

Нашел неплохую статью про расчет шумов и их анализ в Microcap, прикрепил.
И у меня еще есть вопрос не совсем в тему: пытаюсь рассчитать шум ОУ AD797 по формуле 17 из SLVA043b только без заморочек с интегрированием (по табличным значениям как в описании к OPA211) . Интересующий меня диапазон 10-250Гц, а беда в том что для AD797 токовый шум дан только при частоте 1кГц. Может как-то из Spice модели можно узнать шумовую характеристику тока до 1кГц? (модель здесь)

дык в микрокапе шумы считать проще простого -он сам считает и строит график, проблема как раз в обратном -нет адекватных в плане шумовых характеристик моделей, которые можно было бы не глядя всунуть в симулятор. А так...приходилось делать ручками -брать идеальную (нешумящую) модель транзитора или ОУ и добавлять шумящие компоненты согласно даташиту этого элемента. У AD модели ОУ вообщето неплохие, именно этот не пробовал, но с другими вполне реалистично получалось. Но все равно -лучше ручками посчитать, так оно надежнее будет
Для Вашего случая -геофон и неинвертирующий ус., расчет заметно упрощается если например обратку сделать сопротивлением в неск.раз меньше, чем сопрот.геофона и Ку>>1. Тогда формолка значительно упростится.
Потом можно отдельно посчитать шум источника и шум En ОУ (токовым шумом ОУ скорее всего можно пренебречь- если In*Rgeo<En). Обычно один из этих двух шумов (шум сопротивления геофона или шум ОУ) в разы больше другого. Тогда общий шум будет примерно равен бОльшему из этих двух.
1/f весь сосредоточен на низких частотах, и поэтому он дается уже в интегральном выражении (в полосе до 10Гц). Т.е интегрировать надо в рабочей полосе (от 10Гц до fмакс) с использованием En на частоте 1кГц, т.е тупо Un=En*sqrt(fмакс-10), а потом к этому значению среднеквадратично прибавить Un'(f = 0.1 Hz to 10 Hz). Для оценки более чем достаточно

[Alexashka]

Вот реальное сравнение сигналов, которое обещал показать. Сигнал геофона идет "как есть", акселерометра -интегрируется, накладывается ФВЧ 10Гц (который формирует спад 40дБ/дек АЧХ ниже частоты резонанса, который есть у геофона и кот.нет у акселерометра) и масштабируется чтобы выравнить оба сигнала по амплитуде пичков. На левом графике -сигналы, на втором -спектры (спектр берется по всему файлу для получения бОльшего разрешения). Видно, что в области сигналов от идущего человека (3 больших пачки и 1 маленькая) сходство весьма неплохое даже по форме, а вот в спектре у акселерометра идет мощный задир на низких частотах, причем задир сплошной, видимо это и есть те самые микросейсмы. Хотя возможно также идет накладка электрических шумов усилителя. Дело в том, что у акселерометра сопротивление на низких частотах растет и соответственно растут шумы усилителя. Визуально это выглядит как болтанка вокруг средней линии в промеждутках между пачками импульсов.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ToR_TDA]

дык в микрокапе шумы считать проще простого -он сам считает и строит график, проблема как раз в обратном -нет адекватных в плане шумовых характеристик моделей, которые можно было бы не глядя всунуть в симулятор. А так...приходилось делать ручками -брать идеальную (нешумящую) модель транзитора или ОУ и добавлять шумящие компоненты согласно даташиту этого элемента. У AD модели ОУ вообщето неплохие, именно этот не пробовал, но с другими вполне реалистично получалось. Но все равно -лучше ручками посчитать, так оно надежнее будет
Для Вашего случая -геофон и неинвертирующий ус., расчет заметно упрощается если например обратку сделать сопротивлением в неск.раз меньше, чем сопрот.геофона и Ку>>1. Тогда формолка значительно упростится.
Потом можно отдельно посчитать шум источника и шум En ОУ (токовым шумом ОУ скорее всего можно пренебречь- если In*Rgeo<En). Обычно один из этих двух шумов (шум сопротивления геофона или шум ОУ) в разы больше другого. Тогда общий шум будет примерно равен бОльшему из этих двух.
1/f весь сосредоточен на низких частотах, и поэтому он дается уже в интегральном выражении (в полосе до 10Гц). Т.е интегрировать надо в рабочей полосе (от 10Гц до fмакс) с использованием En на частоте 1кГц, т.е тупо Un=En*sqrt(fмакс-10), а потом к этому значению среднеквадратично прибавить Un'(f = 0.1 Hz to 10 Hz). Для оценки более чем достаточно

Да, спасибо, тут можно пользоваться или Un'(f = 0.1 Hz to 10 Hz) или еще лучше если есть график Un и In от 0.1Гц или 1Гц.
Суть проблемы состоит даже не в расчете шума конкретно AD797, а в сравнении шумовых характеристик на заданной полосе нескольких малошумящих ОУ. Например, ОУ типа: LT1028, OPA211, LME49990 и еще несколько обладают очень хорошими и близкими шумовыми характеристиками. Для такого сравнения, я думаю, необходимо учитывать все источники шума, в том числе и входной токовый шум.
Микрокап считает и строит график исходя из суммарного вклада всех источников шума. Например, для ОУ от Analog Devices модель очень похожа на правду, и Texas Instruments тоже модель правдивую создала, а для LT1028 уже шумовая модель неадекватна. Таким образом, ручной расчет будет достовернее и однозначно подкреплен цифрами и графиками из datasheet-ов, в этом наши мнения сходятся. Но дело в том, что для адекватного сравнения хотелось бы рассчитать все с учетом входного токового шума в том числе. Для opa211 значение In = 1.7пА/sqrt(Гц) при f = 1кГц и 3.2пА/sqrt(Гц) при f = 10Гц. Жаль, что для AD таких значений нет.

[Alexashka]

Но дело в том, что для адекватного сравнения хотелось бы рассчитать все с учетом входного токового шума в том числе. Для opa211 значение In = 1.7пА/sqrt(Гц) при f = 1кГц и 3.2пА/sqrt(Гц) при f = 10Гц. Жаль, что для AD таких значений нет.

Ну вот загоните эту формулу из приведенного Вами pdf в какуюнить программу расчета и поиграйтесь значениями параметров. Вообще пА уже будет давать заметный вклад...нужны fA.

Вот тут моя старая темка, которую поднимал когда делал ЗЧУ, а тут -усилок для геофона. Может что полезное почерпнете


Вообще лучшая проверка -это проверка в железе.

[ToR_TDA]

Вот реальное сравнение сигналов, которое обещал показать. Сигнал геофона идет "как есть", акселерометра -интегрируется, накладывается ФВЧ 10Гц (который формирует спад 40дБ/дек АЧХ ниже частоты резонанса, который есть у геофона и кот.нет у акселерометра) и масштабируется чтобы выравнить оба сигнала по амплитуде пичков. На левом графике -сигналы, на втором -спектры (спектр берется по всему файлу для получения бОльшего разрешения). Видно, что в области сигналов от идущего человека (3 больших пачки и 1 маленькая) сходство весьма неплохое даже по форме, а вот в спектре у акселерометра идет мощный задир на низких частотах, причем задир сплошной, видимо это и есть те самые микросейсмы. Хотя возможно также идет накладка электрических шумов усилителя. Дело в том, что у акселерометра сопротивление на низких частотах растет и соответственно растут шумы усилителя. Визуально это выглядит как болтанка вокруг средней линии в промеждутках между пачками импульсов.

У HP есть статья про MEMS Seismic Sensor. В ней у акселерометра то же сплошной задир к низким. А вы снимали данные без сигнала (без шагов человека), такую характеристику нужно снимать где-то в подвале и на гранитной плите. Тогда собственные шумы лучше оцениваются.

[Alexashka]

У HP есть статья про MEMS Seismic Sensor. В ней у акселерометра то же сплошной задир к низким. А вы снимали данные без сигнала (без шагов человека), такую характеристику нужно снимать где-то в подвале и на гранитной плите . Тогда собственные шумы лучше оцениваются.

Задир к низким у них это известный факт - 1/f шумы однако, как и у всех полупроводников, и МЭМС датчики тут не исключение .

Да это я так привел сигналы чисто для интересу потому как тут акселерометр унд геофон, запись фонового шума тоже делалась - там тоже самое. А спектр шагов практически весь сосредоточен в области 10-30Гц так что он тут не мешает оценке.

[rudy_b]

У AD-шников в модели AD797 фликкер учтен, вопрос насколько точно. Вот кусок текста модели AD797. На входах есть шумовые диоды, в моделях которых есть коэффициент фликкер шума - KF

* INPUT VOLTAGE NOISE GENERATOR
*
VN1 40 0 DC 2
DN1 40 41 DEN
DN2 41 42 DEN
VN2 0 42 DC 2
*
* +INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN3 43 0 DC 2
DN3 43 44 DIN
DN4 44 45 DIN
VN4 0 45 DC 2
*
* -INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN5 46 0 DC 2
DN5 46 47 DIN
DN6 47 48 DIN
VN6 0 48 DC 2
..................
Используемые модели
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

[ToR_TDA]

Используемые модели
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

Получается, что исходя из этих параметров, можно построить зависимость входных шумов по току и напряжению от частоты. При этом надо использовать шумовой расчет для диода(ов). Как-то я не очень понял, как нужно считать. Прикрепил статью, в ней есть: 2.1.4. Уравнения для шумов диода. Что такое IAF?

Прикрепленные файлы

 _________7_RUS.DOC ( 1.01 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 646

 

[rudy_b]

...Прикрепил статью, в ней есть: 2.1.4. Уравнения для шумов диода. Что такое IAF?

Скорее всего - опечатка. Имелось ввиду, вероятно, KF*I^AF.

P.S. Вот, нашел формулы

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

Получается, что исходя из этих параметров, можно построить зависимость входных шумов по току и напряжению от частоты. При этом надо использовать шумовой расчет для диода(ов). Как-то я не очень понял, как нужно считать. Прикрепил статью, в ней есть: 2.1.4. Уравнения для шумов диода. Что такое IAF?

В свое время думал как бы пересчитать данные по шумам из даташитов в параметры KF,AF для построения моделей. Но похоже что никак- нужен такой параметр как Frequency noise comer, который нигде не дается. Вот если есть график спектральной плотности, то тогда можно.

[ToR_TDA]

Скорее всего - опечатка. Имелось ввиду, вероятно, KF*I^AF.

P.S. Вот, нашел формулы

Спасибо. Пришел к некоторому результату. Оказывается, исходя из конкретно этой spice модели, происходит следующее: шумовые диоды с указанными параметрами управляют зависимыми источниками напряжения и тока, которые тоже имеют свои коэффициенты (E1=0.1, G1,G2=1E-3), рисунок прикладываю.
Из модели:
EN 3 1 41 0 0.1
GN1 0 1 44 0 1E-3
GN2 0 2 47 0 1E-3
В итоге шум на входе такой системы отличается от просто модели AD797 на ≈100пВ (при сопротивлении источника 0 Ом), видимо, это связано с тем, что я не учел связь входного напряжения шума с напряжением смещения (хотя, почему они связаны?) вот в этой строчке:
EOS 9 3 POLY(1) 22 31 40E-6 1
9 3 номера узлов схемы, 40E-6 это, похоже, смещение 40мкВ, что значит остальное пока не знаю.
В итоге убедился в том, что токовый шум по неинвертирующему входу значительно влияет на общий. Исходя из приведенной ниже формулы, неинвертирующий токовый шум зависит от сопротивления источника сигнала. На рисунке зависимость входного шума от сопротивления источника.
Влияние токового шума по инвертирующему входу должно зависеть от сопротивления обратной связи, но при его изменении общий шум не меняется, возможно, вклад его очень мал.

В свое время думал как бы пересчитать данные по шумам из даташитов в параметры KF,AF для построения моделей. Но похоже что никак- нужен такой параметр как Frequency noise comer, который нигде не дается. Вот если есть график спектральной плотности, то тогда можно.

Frequency noise comer это то-же самое, что 1/f corner? MT-048

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

Спасибо. Пришел к некоторому результату. Оказывается, исходя из конкретно этой spice модели, происходит следующее: шумовые диоды с указанными параметрами управляют зависимыми источниками напряжения и тока, которые тоже имеют свои коэффициенты (E1=0.1, G1,G2=1E-3), рисунок прикладываю.

Выложите схему пожалуйста. А что Вы собственно пытаетесь сделать? Сэмулировать шумовую модель ОУ бесшумным ОУ и дискретными источниками шумов?

Влияние токового шума по инвертирующему входу должно зависеть от сопротивления обратной связи, но при его изменении общий шум не меняется, возможно, вклад его очень мал.

Frequency noise comer это то-же самое, что 1/f corner? MT-048

Его вклад будет такойже при равенстве сопротивлений ОС и источника.


Похоже что так.
Update: Кстати у Вас токовый шум по неинв.входу вообще должен отсутствовать, т.к он закорочен на 0 сопротивление источника ЭДС, а токовым шумом по инв.входу в случае сопротивл.ОС 10 Ом можно пренебречь. Это ясно даже из даташита.

[ToR_TDA]

Выложите схему пожалуйста. А что Вы собственно пытаетесь сделать? Сэмулировать шумовую модель ОУ бесшумным ОУ и дискретными источниками шумов?

Его вклад будет такойже при равенстве сопротивлений ОС и источника.

Похоже что так.

Схему выкладываю здесь.

Сделать пытаюсь следующее:

Интересующий меня диапазон 10-250Гц, а беда в том что для AD797 токовый шум дан только при частоте 1кГц. Может как-то из Spice модели можно узнать шумовую характеристику тока до 1кГц?

И разобраться в шумовой spice модели.
P.S. Да, бесшумный ОУ и дискр. источники шумов.

Update: Кстати у Вас токовый шум по неинв.входу вообще должен отсутствовать, т.к он закорочен на 0 сопротивление источника ЭДС, а токовым шумом по инв.входу в случае сопротивл.ОС 10 Ом можно пренебречь. Это ясно даже из даташита.

Добавьте сопротивление источника 350 Ом (геофон), сопротивление обратной связи 10кОм.

[Alexashka]

Добавьте сопротивление источника 350 Ом (геофон), сопротивление обратной связи 10кОм.

ну сопрот.источника у Вас на схеме не отражено, а ОС разве не как параллельное 10 Ом|10кОм берется?
для проверки можете сделать RS=0, а в ОС поставить 350 Ом и 350кОм, -получите те же шумы, что и при 10 Ом и 10кОм и RS=350

update: если последовательно с управляющим входом источника Е1 включить резистор 1900 Ом, то шумы получаются идентичные. а параметры диодов взяты из модели ОУ?

[ToR_TDA]

ну сопрот.источника у Вас на схеме не отражено, а ОС разве не как параллельное 10 Ом|10кОм берется?
для проверки можете сделать RS=0, а в ОС поставить 350 Ом и 350кОм, -получите те же шумы, что и при 10 Ом и 10кОм и RS=350

update: если последовательно с управляющим входом источника Е1 включить резистор 1900 Ом, то шумы получаются идентичные. а параметры диодов взяты из модели ОУ?

Сопротивление источника отражено параметром внутреннего сопротивления RS источника синусоидального напряжения. Просто в той схеме, что я выложил как частный случай, оно было равно 0.
Все правильно, при приведении шума ко входу делим на Ку. т.е. шумовой источник тока по инвертирующему входу дает шум на выходе In*Rf (feedback resistor или сопр. ОС) приведя ко входу получим In*Rf/((Rg + Rf)/Rg) = In*Rf||Rg, где Rg это gain setting resistor (10Ом), но с шумом (тепловым) самого резистора Rf мне не совсем ясно. ЕRf = sgrt(4kTRf), при приведении ко входу получим sgrt(4kTRf)/((Rg + Rf)/Rg) как-то не так логично выходит.

Параметры диодов взяты из модели. 1900 Ом проверил, действительно. Все-таки в моей дискретной модели чего-то не хватает.
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

[Alexashka]

но с шумом (тепловым) самого резистора Rf мне не совсем ясно. ЕRf = sgrt(4kTRf), при приведении ко входу получим sgrt(4kTRf)/((Rg + Rf)/Rg) как-то не так логично выходит.

Параметры диодов взяты из модели. 1900 Ом проверил, действительно. Все-таки в моей дискретной модели чего-то не хватает.
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

Исправлено. Сегодня прочитал свой вчерашний бред и ужаснулся. Вообщем на пальцах тут не объяснить,поскольку тут есть К усилителя с ОС и Ку усилителя без ОС. И получается следуещее:



Из последнего равенства видно, что шум самого усилителя усиливается в К раз (задается резисторами в ОС), а шум резистора ОС идет на выход без усиления. Таким образом, пересчитывая последний шум ко входу и получаем, что он делится на К (на (Rg+Rf)/Rg ). Так что все верно.

А поскольку напряжение шумов резистора Rf растет как степень 1/2 от Rf, а усиление растет как первая степень от Rf, то в итоге шумы этого резистора уменьшаются с увеличением К Что очень даже здорово! Т.е если Rg имеет значение скажем на порядок меньше чем Rs, то шумами Rf можно пренебречь. Что и имеет место в Вашем случае (при Rs>>Rg).

[ToR_TDA]

А поскольку напряжение шумов растет как степень 1/2 от R, а усиление растет как первая степень от R, то в итоге шумы этого резистора уменьшаются с увеличением К Что очень даже здорово! Т.е если Rg имеет значение скажем на порядок меньше чем Rs, то шумами Rf можно пренебречь. Что и имеет место в Вашем случае (при Rs>>Rg).

Полностью согласен, спасибо Вам.
Я кажется понял как ответить на свой вопрос. Характеристику токового шума можно увидеть при анализе схемы на рисунке. Естественно диоды из модели, Ку = 1; RS = 1Ом, Uш = Iш*RS/Ку и получим Iш = Uш/1Ом. При шумовом анализе при частоте 1кГц получается шум 2.2пА по даташиту оно равно 2пА.
Вроде все правильно получается и я могу эту характеристику далее использовать в расчете по формуле.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

Вроде все правильно получается и я могу эту характеристику далее использовать в расчете по формуле.

Расскажите потом, что получилось

[ToR_TDA]

Расскажите потом, что получилось

Как-то так

Прикрепленные файлы

 _______.doc ( 135.5 килобайт ) Кол-во скачиваний: 432

 

[Alexashka]

Как-то так

Неплохой обзор геофонов, а вывод какой?
Со всеми типами геофонов можно использовать любой из предложенных усилителей?

[ToR_TDA]

Неплохой обзор геофонов, а вывод какой?
Со всеми типами геофонов можно использовать любой из предложенных усилителей?

Для себя я сделал вывод, что LT1028 самый малошумный ОУ, при сопротивлении источника менее 1кОм, из представленных на рынке. OPA211-HT - по шумам сравним с AD797, и является оптимальным для высокотемпературных приложений. А так, все эти ОУ хороши)
Из геофонов положительно выделяется GS-One/Geospace, правда судить могу только по расчету, в руках не держал. В основной массе представленные геофоны близки, возможно, тут полезно учитывать малый разброс параметров как у GS-30CT (2%).