24位ADC在地震数据采集中的应用

文章编号!"##$%&#’()*##+,#*%#*$$%#+*$位-./在地震数据采集中的应用何正淼"0宋克柱"0汤家骏"0王超"0朱耀强*0董立军*)"1中国科学技术大学快电子学实验室0合肥0*’##*23*1中海油田服务股份有限公司研发中心0北京0"#""$&,摘要!针对水下地震信号的特点0设计研制了一个*$位分辨率精度4"*#56动态范围的地震数据采集系统7通过采用基于89:;<%.=>?<技术的*$位-./芯片/8+’(*和配合使用的数字滤波芯片/8+’(2-0在一个采集板上实现了四个通道的数据采集7前端模拟处理采用电荷放大器结构0后端控制和通信采用一片@A B -0实现了采集系统的高性能和高可靠性0同时采用.-/芯片/8$’(’实现系统的自检测试0为系统的可维护性提供方便7关键词!模数转换3动态范围3总谐波畸变3地震信号中图分类号!C A*($D1*文献标识码!-基金项目!国家高技术研究发展计划)E F 2’G 计划,资源与环境课题)*##"--2#*#""%",资助项目7收稿日期!*##$%#(%#*3修订日期!*##$%"*%"#H I I J K L M N K O PO Q *$R K N H S TK PM S M N M H L U V K W K P XY Z [N \]Q O W Y \K []K L Y V W ^\Z_‘a b c d e %f g h i "0j k lmnc %o b p "0q r lms g h %t p d "0ur lmv b h i "a _w x h i %y g h d e *0z k lm{g %t p d*)"1@<|?}>=~?!"#9~|$<%0&#9’=!|9?(")8~9=#~=<#5C =~*#">":(")/*9#<0+=)=90*’##*20/*9#<3*1,=|=<!~*-.=’=>".;=#?/=#?=!0/*9#</<?9"#<>0))|*"!=09>/"!."!<?9"#8=!’9~=|06=919#:0"#""$&0/*9#<,H R [N W M L N 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结构的-./实际上是把过采样的时间宽裕度转换成了分辨精度0以一级F %G 结构为例0如果过采样时钟为/(239|?频率的/倍0即l H I |0那么分辨率位数就能达到>":l*7D 采集系统的实现本文设计的系统共要求的采集通道有"&*#道0每"##;距离为一个采集单元0每"##;之内第*#卷第*期*##+年2月数据采集与处理J "3!#<>").<?<-~239|9?9"#-A !"~=||9#:K ">1*#/"1*J 3#1*##+万方数据负责!"个采集通道#道距达到!$%"&’#每%((’之间放置一个数据收集传输单元)这种结构的优点是能够在相同的长度距离内实现较多的通道采集#避免了采集板因体积过大而和水下拖缆的机械安装发生不便#同时将模拟信号处理尽量限制在传感器附近#使参加传输的信号尽可能都是数字信号#从而达到提高系统性能的目的)采集系统的结构如图"所示)图%一级*+,调制结构图"采集系统结构采集板选用-.//01公司的套片-2&!3"和-2&!345实现#-2&!3"能够提供"通道传感器信号输入#-2&!345可以接受最大6通道数据进行数字滤除#即一个采集板提供共6通道检波器输入)图中的状态板负责收集水压7水温等环境参数)8$9前端模拟电路5:前端的放大器设计分为两级)第一级放大使用两个;<"=3和一个>?%%%"实现一路的仪用放大器结构#同时;<"=3反馈回路由电容实现#构成电荷放大器#用于接收压电传感器信号)电荷放大器的优点是输出电压只决定于传感器收集到的电荷@和反馈电容AB的大小#具有较好的稳定性)不直接采用集成的仪用放大器的原因是为了更好地抑制噪声和增加共模抑制比)为了得到必要的测量精度和通道一致性#要求反馈电容具有很好的温&6"第"期何正淼#等C"6位5:-在地震数据采集中的应用　万方数据度稳定性和时间稳定性!系统中采用的电容是容量精度为"#的金属化聚碳酸酯电容器$可以满足测量的需要!第二级放大器实现增益的调节选择和信号从差分到单端的转换!地震信号通常非常微弱$所以必须要有固定增益$而不同的海域由于水文地质的情况并不一样$所以增加几档可调增益可以使系统更加灵活地应用于不同的采集环境中!系统中通过改变放大器反馈电阻值来实现增益的调节$一共可分为%$&$"’和’()*四档!在信号进入+,之前$还需要进行反混叠滤波$根据-./的特点$一个简单的01低通滤波可以提供较好的效果!23245和数字滤波电路采集系统的+,转换和数字滤波由16789’和16789&+共同实现!16789’采用(级-./结构$一个片子提供’通道传感器信号输入!为了保证高性能大动态范围指标的实现$系统设计中对16789’的模拟输入端滤波电容和电源的滤波电容进行了适当的选择!试验表明$对于模拟输入端的电容采用二类电介质:;90<独石电容和采用一类电介质:1=>?@A =<独石电容得到+,转换后的信噪比最大时能达到"%)*的差别!电源滤波的"%%B C 电容采用不同的电介质也有一定的影响$不过效果不是很显著!另外在+,1的参考电压源设计中$’(位分辨率所要求的纹波抖动非常高$除了选用高精度低噪声参考源芯片外$周边的滤波电容也要慎重考虑!16789&+能够接受’个16789’的输入$即最多(个通道的输入处理能力$采样率在"D (%%%6A 6之间可调$主要实现数字滤波功能$同时可编程调节每通道的偏移和增益$并且带,+1位流输出用于测试!在"E 6A 6采样率下$本文根据16789&+的片内特性$设计了包括三级6F @1抽取G 两级C F 0高切和两级F F 0低切的滤波$最后得到滤波效果低切达到837H I $高切达到了(J %H I $可以较好满足地震信号的采集范围$滤波设计如图8所示!同时利用了16789&+片内增益可调特性可以对系统各通道的增益系数进行修正K 将某一道数据作为标准$另外其他通道的增益修正系数可以编程写入每个16789&+的内部寄存器中$这样就减小了各采集通道的不一致性!系统设计中同样实现了采样率的可调$采样率的改变主要影响采集精度$根据目前水下采集的实际情况$本文实现了"$’E 6A 6两种采样率的切换!图8滤波设计示意图23L M N O 4控制逻辑数据滤波后的后续接口及系统的配置:主要是对16789&+的控制<采用一片C A >+来实现$C A .>+的功能实现包括K 系统的同步和复位P16789&+的初始化和内部寄存器配置P 系统自检模式控制和数据传输功能!在系统采样开始时$首先是采集单元接收到主控部分发过来的0Q R Q S 命令$然后C A >+控制起作用$先是完成16789&+芯片的采集配置$包括滤波系数G 增益系数和采样频率等的设定$然后+,1芯片接收到16789&+提供的时钟信号T1U V 和同步信号T6W @1开始工作$而16789&+在完成(个通道数据的一次接收后会把数据写入芯片内部的C F C =中!C A >+在接收到0Q R Q S 信号后就一直处在对16789&+内部C F C =的查询状态$当C F C =不为空时就将数据读出$这样完成一次采样的过程$如图(所示!23X 自检测试的54Y 实现自检测电路的基本原理是产生已知频率幅度的确定信号:通常是正弦和脉冲<代替检波器输入用来测试整个采集电路的各项特性和指标!由于设计中采用的+,1精度为’(位$所以用于产生测试信号的,+1精度必须和’(位相当或优于’(位$系统设计中采用16(898接收16789&+内部产生的数字位流进行数据转换用于自检测试!16(898是&(’数据采集与处理第’%卷　万方数据图!采样过程时序采用"#$解调技术的转换器%可以产生&!位精度的’()模拟输出%通过对)*+,-.(内部的输出数字位流进行配置%可以得到低达/012的正弦信号和脉宽可调的脉冲信号进行自检测试3456789板在设计高精度低噪声采集电路时%对:);板布板设计需要引起足够的重视<!=%本系统设计中首先是选择低噪声高精度的器件来达到系统的低噪声高精度>其次仔细考虑了地层和电源层设计?:);板上模拟电路和数字电路分开布局%地层也进行了相应的分割3设计中需要用到的电源种类多达@个%所以用&层电源层%一共.层板设计此电路%电源层的分割和地层对齐%每个器件电源脚都用旁路电容到地%采用容值一大一小达到了更好的旁路效果>然后考虑了板上走线%电源线和地线特别加粗%为防止串扰%并行走线长度都很短%间距控制的较大%有条件的地方并行走线中间还铺了地3同时系统设计中也考虑了信号完整性问题%通过串接小电阻减小时钟信号上下沿跳变率%A :B (不用的管脚通过电阻接到了固定电平3C 测试结果和分析系统主要指标测试分析如下D /E 信噪比D *F GE ?信噪比的定义为*F GH &0I J K /0*L K M N IF J L O PD /E系统设置自检信号为正弦波输出进行测试%使每个通道的输入幅度都达到(’)的输入满幅度%计算得出的通道最小信噪比值为/&0Q ;3系统的最大动态范围和信噪比密切相关%可以认为/&0Q ;即为系统的动态范围3D &E 总谐波失真D R 1’E ?实际的(’)工作时%会产生谐波%当以S O 的采样率采模拟频率为S N 的信号时%会在T U V S O W X S NT 的频率上产生谐波%其中X 为谐波的次数%V H 0%/%&%,%Y%总谐波失真是指谐波的均方根值与信号幅度的均方根值的比值%如式D &E 所示%一般只取前+次谐波计算%测量时信号频率为/0123R 1’H &0I J K /01’+*L K M N ID &E式中1’+为前+次谐波失真3D ,E 通道一致性D ))B (E?通道一致性通过设置各通道的增益一致%然后测量各通道间的偏差来确定%缺省情况下选取第一通道为标准比较通道%计算公式为))B (HZ X [Z 0Z 0\/00]D ,E式中Z 为增益3D !E 共模抑制比D )^GE ?共模抑制比通过测量差模增益和共模增益之比决定%是衡量共模信号被抑制程度的一个指标%可以通过输入差模信号和共模信号来实现测量%如式D !E所示)^GH &0I J K /0_J ‘a /_J ‘a &D !E式中_J ‘a /为差模增益>_J ‘a &为共模增益3D +E电路固有噪声测量?电路固有噪声和所选器件密切相关%直接影响系统动态范围%测量时将检波器断开%并使自检信号接地或自检信号幅度设为零%得到的(’输出结果即为电路噪声3系统测试的主要指标测试结果<+=以及和目前世界领先水平*b c I ‘d e P f K P f 公司的g #^N f L M P <&=采集系统的比较%如表/所示3表/系统测试部分项目结果功能描述测试结果本文系统g #^N f L M P系统测试信噪比h Q ;i/&0i//+测试总谐波失真h Q ;j[//0j[k +测试各通道间增益一致性h D ]E j05&j05+测试电路固有噪声h l m j/5,j/5&.测试共模抑制比h Q ;i/0/i /0+n 结束语本文研究了高分辨率数据转换器在地震数据采集中的应用%并实际设计了一套地震数据采集的系统样机%系统样机完成后在水下试验中获得了良好的结果3从表/中可以看出%本文的测试指标大-!&第&期何正淼%等?&!位(’)在地震数据采集中的应用　万方数据部分优于!"#$%&’(系统)下一步的目标是希望能通过进一步深入的仿真手段和高性能器件选用提高系统的动态范围与噪声指标)参考文献*+,-孙传友.潘正良/地震勘探仪器原理+#-/北京*石油大学出版社.,001/+2-杨小军/高速时移地震数据采集系统的研究+3-/合肥*中国科学技术大学近代物理系.2445/+5-6$’7&89/9%&’:&;8(<=><&7?$"@(8A $?=@B 8$A &=’>=%$’$8=7A =@&7&A $8:=’C (%A (%<+D -/#=A =%=8$E 9D F .,005/+G -H =I ’<=’J K .L %$I $?#/J &7I "<;((@@&7&A $8@(<&7’*$I $’@M ==N=>M 8$:N?$7&:+#-/9%(’A &:(J $889O D.,005P+Q -6R L <B M :=??&A A ((=>A I (A (:I ’&:$8<A $’@$%@<:=?"&A A ((=’@&7&A $8<(&<?&:%(:=%@(%<;(:&>&:$A &=’</3&7&A $86(&<?&:D (:=%@(%6;(:&>&:$A &=’6A $’@$%@<+6-/6=:&(A S=>R T ;8=%$A &=’L (=;I S <&:&<A <.,0F F /作者简介*何正淼U ,0V 0"W .男.博士研究生.研究方向*数据采集.R "?$&8*I X ?Y ?$&8/B <A :/(@B /:’Z 宋克柱U ,011"W .男.副教授.研究方向*数据采集研究Z 汤家骏U ,014"W .*男.副教授.研究方向*数据采集研究Z 王超U ,0V 0"W .男.博士研究生.研究方向*数据采集Z 朱耀强U ,01Q "W .男.工程师.研究方向*石油地震仪器Z 董立军U ,0V 5"W .男.工程师.研究方向*石油地震仪器)FG 2数据采集与处理第24卷万方数据24位ADC在地震数据采集中的应用作者：何正淼， 宋克柱， 汤家骏， 王超， 朱耀强， 董立军， HE Zheng-miao， SONG Ke-zhu， TANG Jia-jun， WANG Chao， ZHU Yao-qiang， Dong Li-jun作者单位：何正淼,宋克柱,汤家骏,王超,HE Zheng-miao,SONG Ke-zhu,TANG Jia-jun,WANG Chao(中国科学技术大学快电子学实验室,合肥,230026)， 朱耀强,董立军,ZHU Yao-qiang,DongLi-jun(中海油田服务股份有限公司研发中心,北京,101149)刊名：数据采集与处理英文刊名：JOURNAL OF DATA ACQUISITION & PROCESSING年，卷(期)：2005，20(2)被引用次数：3次1.孙传友.潘正良地震勘探仪器原理 19962.杨小军高速时移地震数据采集系统的研究[学位论文] 20033.Sangil P Principles of sigma-delta modulation foranalog to digital converters 19934.Johnson H W.Graham M High-speed digital design:a handbook of black magic 19935.Johnson H W.Graham M High-speed digital design:a handbook of black magic 19881.学位论文杜廷龙基于VXI总线的数据采集模块设计2004该文主要探讨了监测数字接收机中基于VXI总线的数据采集系统的设计,作者通过分析模数转换的几种常见方式并结合模数转换器件的性能指标,以及比较软件无线电中采用的一些改进的采集技术,参考了AD公司提供的软件无线电全部信号链的解决方案,提出了应用带通采样定技术和AD6644模数转换芯片实现高速、宽带、较高动态范围的数据信号采集的方案,并将数据信号通过VXI总线连接多片高性能并行DSP处理器系统进行高速信号处理.系统中采用ADSP-21065L控制SDRAM对采集到的数据进行读写操作.为提高输入信号的动态范围,该系统采用高增益放大器和自动增益控制(AGC)等电路进行数据转换前的信号调理工作.模数转换之前的抗混滤波器设计是软件无线电设计的难点问题之一,为达到课题指标要求,作者研究了模拟滤波器的可编程数字化问题.通过指标性能的细致分析,进行滤波器模型的设计,然后采用Altera公司强大的Stratix系列FPGA器件,应用内部的嵌入DSP块编程实现抗混滤波器的性能.该文设计的数据采集系统把软件无线电技术、VXI总线技术、DSP技术、FPGA技术、智能仪器技术等一系列业界最新的通信电子技术紧密结合起来.同时还应用Matlab、QuartusⅡ、Visual DSP++、Protel99SE等工具软件把硬件电路设计同多种编程语言结合到一起.该系统不仅可以满足国内移动通信、无线电检测、国防等部门的实际需要,还在一些领域进行了理论性的探讨.2.期刊论文杜廷龙.曹小秋.Du Tinglong.Cao Xiaoqiu数字监测接收机中提高动态范围的解决方案-电子测量与仪器学报2004,18(z1)本文提出了在数字监测接收机系统中提高动态范围的解决方案.本文把模数转换器的性能指标和基本转换原理结合起来分析了影响动态范围的一些关键因素,从采样技术、并行ADC技术、抖动技术等方面阐述了如何利用现有商用ADC器件来提高数据采集系统的动态范围.3.学位论文高振兴数字AGC及相关技术研究2006本文围绕在无线通信系统，特别是在LAS-CDMA系统中如何降低对ADC精度要求，提高接收机的动态范围问题，展开叙述和研究。