高性能地震數據采集方案構想

高尚華 薛 兵 蔣久明 鄒鎮宇

（中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

大動態寬頻帶觀測一直是地震觀測中追求的目標，因此“十五”期間在很多臺站布設了動態范圍大線性度好的寬頻帶地震儀，但這似乎還不能滿足現實需要，比如，2008年的汶川地震，使得千里之外的寬頻帶地震儀都因為動態范圍不足而出現了限幅問題。就當前中國的現狀來看，地震計的動態范圍（140 dB以上）比地震數據采集器的（130 dB左右）大，所以在這里主要針對數據采集器進行了研究，爭取達到26位的分辨率、±15 V的滿量程以及145 dB以上的動態范圍，以緩解/消除大地震到來時觀測儀器易出現的幅度受限問題。

過采樣Δ－∑（增量總和）技術和多斜積分技術都可以實現較高有效位數的AD轉換，但多斜積分ADC轉換時間較慢，如安捷倫HP3458A8?位數字多用表，工作在8?位（相當于27～28位二進制）狀態時一秒鐘只能轉換6次。而在地震觀測中，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據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，我們應用多比特△-∑技術來實現26位高分辨的AD轉換。

圖1是我們提出的帶有數字校正的Δ－∑ADC設計框圖。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。采用數字校正模塊來補償反饋回路中N位DAC的非線性失真，該模塊內部含有一個可隨機訪問的存儲器，存儲器中存儲的是各種可能的輸入代碼下DAC輸出電壓的標稱值和實測值之差（用數字方式表示），尋址方式是DAC的N位輸入代碼。Δ－∑AD轉換器輸出的是高速率低分辨率的數據流。為從中獲取所需要的信號（如地震波形），擬利用最小相位/線性相位FIR數字濾波器來進行采樣率變換，將該高速率低分辨率的數據流轉換成低速率高分辨率的數據信號，并對其進行編碼，以便后續的處理、存儲和傳輸。

我們在Matlab/Simulink環境中對上述設計方案進行了實現，并對輸出數據做了頻譜分析。實驗表明，在輸入信號為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、積分器設計為三階的條件下，200 Hz帶寬內量化噪聲可衰減到－200 dB。

16位ADC芯片的量化噪聲在－100 dB左右，使用多比特反饋環后可以達到－200 dB，這說明上述提出的設計方案是切實可行的。在進行具體的電路設計時，由于受運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，當前優質的低噪聲低漂移放大器的性能指標也能達到8～9個量級，所以有望在實際中達到預定目標。

圖1 提出的帶有數字校正的Δ－∑ADC設計框圖