高性能地震數(shù)據(jù)采集方案構(gòu)想

高尚華 薛 兵 蔣久明 鄒鎮(zhèn)宇

（中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036）

大動(dòng)態(tài)寬頻帶觀測(cè)一直是地震觀測(cè)中追求的目標(biāo)，因此“十五”期間在很多臺(tái)站布設(shè)了動(dòng)態(tài)范圍大線性度好的寬頻帶地震儀，但這似乎還不能滿足現(xiàn)實(shí)需要，比如，2008年的汶川地震，使得千里之外的寬頻帶地震儀都因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍不足而出現(xiàn)了限幅問題。就當(dāng)前中國的現(xiàn)狀來看，地震計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍（140 dB以上）比地震數(shù)據(jù)采集器的（130 dB左右）大，所以在這里主要針對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了研究，爭取達(dá)到26位的分辨率、±15 V的滿量程以及145 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍，以緩解/消除大地震到來時(shí)觀測(cè)儀器易出現(xiàn)的幅度受限問題。

過采樣Δ－∑（增量總和）技術(shù)和多斜積分技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)較高有效位數(shù)的AD轉(zhuǎn)換，但多斜積分ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間較慢，如安捷倫HP3458A8?位數(shù)字多用表，工作在8?位（相當(dāng)于27～28位二進(jìn)制）狀態(tài)時(shí)一秒鐘只能轉(zhuǎn)換6次。而在地震觀測(cè)中，需要記錄的天然地震的地震波頻帶主要為360 s到50 Hz，這要求所使用的地震數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率在100 Hz以上，顯然多斜積分方案滿足不了要求。因此，我們應(yīng)用多比特△-∑技術(shù)來實(shí)現(xiàn)26位高分辨的AD轉(zhuǎn)換。

圖1是我們提出的帶有數(shù)字校正的Δ－∑ADC設(shè)計(jì)框圖。如圖所示，采用線性度好、噪聲低的ADC和DAC芯片來搭建Δ－∑反饋環(huán)。采用數(shù)字校正模塊來補(bǔ)償反饋回路中N位DAC的非線性失真，該模塊內(nèi)部含有一個(gè)可隨機(jī)訪問的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是各種可能的輸入代碼下DAC輸出電壓的標(biāo)稱值和實(shí)測(cè)值之差（用數(shù)字方式表示），尋址方式是DAC的N位輸入代碼。Δ－∑AD轉(zhuǎn)換器輸出的是高速率低分辨率的數(shù)據(jù)流。為從中獲取所需要的信號(hào)（如地震波形），擬利用最小相位/線性相位FIR數(shù)字濾波器來進(jìn)行采樣率變換，將該高速率低分辨率的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速率高分辨率的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行編碼，以便后續(xù)的處理、存儲(chǔ)和傳輸。

我們?cè)贛atlab/Simulink環(huán)境中對(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并對(duì)輸出數(shù)據(jù)做了頻譜分析。實(shí)驗(yàn)表明，在輸入信號(hào)為2 V的25 Hz正弦波、1 V的200 Hz正弦波以及－5 V直流的疊加、過采樣頻率為64 kHz、積分器設(shè)計(jì)為三階的條件下，200 Hz帶寬內(nèi)量化噪聲可衰減到－200 dB。

16位ADC芯片的量化噪聲在－100 dB左右，使用多比特反饋環(huán)后可以達(dá)到－200 dB，這說明上述提出的設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。在進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于受運(yùn)算放大器等元器件非理想特性的影響，效果可能沒有這么好。不過，當(dāng)前優(yōu)質(zhì)的低噪聲低漂移放大器的性能指標(biāo)也能達(dá)到8～9個(gè)量級(jí)，所以有望在實(shí)際中達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

圖1 提出的帶有數(shù)字校正的Δ－∑ADC設(shè)計(jì)框圖