用于大型地震勘探網(wǎng)的高精度低功耗自檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　采用低功率信號處理架構(gòu)的多功能數(shù)字濾波器能夠高效地過濾及抽取前述的單位品調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)據(jù)。如圖4所示,這種濾波芯片包括若干用于簡化系統(tǒng)設(shè)計的集成外設(shè)：如1個用于標(biāo)準(zhǔn)時鐘或曼徹斯特碼輸入、抽取與濾波引擎、偏移與增益校準(zhǔn)的低抖動PLL、1個檢測DAC位流的發(fā)生器、1個時間間隔控制器,以及8個通用I/O引腳。

　　 表1 自檢測模式的系統(tǒng)總體性能

　　抽取和濾波引擎電路由SINC、FIR和IIR濾波器組成。SINC濾波器的首要作用是削弱品調(diào)節(jié)器中的帶外噪聲。在這個過程中,它將單位品數(shù)據(jù)抽取為適應(yīng)FIR和IIR濾波器的24位數(shù)據(jù)。選定的輸出字率將自動確定SINC濾波器的系數(shù)和抽取率。

　　FIR濾波器用于補償SINC濾波器壓降并生成一個輸入信號混迭元件低通角。使用配置命令可以選擇片上線性相位或最小相位系數(shù),也可以根據(jù)定制的濾波器反應(yīng)進行系數(shù)編程。

　　可選擇的數(shù)字濾波器抽取率可以生成從4000SPS到1SPS不等的輸出字率,利用片上系數(shù)進行設(shè)置時,由此產(chǎn)生的帶寬測量幅度也相應(yīng)達到1600Hz到400MHz。偏移校準(zhǔn)算法可自動推算出偏移修正值,并將增益與偏移修正值應(yīng)用到數(shù)據(jù)測量中。

　　數(shù)字濾波器芯片內(nèi)置的數(shù)字信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生單位正弦波或脈沖函數(shù)。該數(shù)字檢測位流與CS4373檢測DAC相連,可產(chǎn)生高質(zhì)量的模擬檢測信號,或用于測試數(shù)字濾波器和數(shù)字采集電路內(nèi)部回路折返到濾波器的MDATA輸入。

　　MSYNC輸出信號隨之輸入到SYNC引腳。 MSYNC 為所有網(wǎng)絡(luò)操作設(shè)定了一個參考時間。MSYNC 階段將對調(diào)節(jié)器采樣進行排列,即時保障了測量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模擬采樣的同步性。MSYNC 排列了TBS(檢測位流)的時序。SINC濾波器也通過MSYNC信號隨時保持與外部系統(tǒng)的同步運行。

　　自檢測 DAC

　　圖5顯示的是一個自檢測單位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(稱為檢測DAC)。這是一個由上文提到的數(shù)字濾波器芯片產(chǎn)生的單位檢測位流(TBS)驅(qū)動的24位DAC。這也是為地震應(yīng)用而特別設(shè)計的。它能夠產(chǎn)生差分118dB的線性正弦曲線信號。頻率與振幅由數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的TBS決定。它具有兩套差分模擬輸出,一套確保精度,另一套負責(zé)進行緩沖,這樣就簡化了數(shù)字采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程和傳感器的檢測過程。兩套輸出都配有二進制加權(quán)高精度衰減器,變化幅度為11/2-1/64。

　　低失真度 ADC 的工作原理也被應(yīng)用在低失真度DAC 當(dāng)中。 ADC中的第一積分器在一段時間內(nèi)持續(xù)地輸入電壓,然后再輸入數(shù)字數(shù)據(jù)位流。ADC輸入連續(xù)的時間信號與反饋信息,然后輸出單位數(shù)據(jù)。在這個DAC設(shè)計中,所有輸入的單位數(shù)據(jù)、輸出和反饋都是連續(xù)的時間信號,并通過同一個電路實現(xiàn)。詳細架構(gòu)參見圖6。第一積分器與上文所述的ADC中的第一積分器相同,能夠通過動態(tài)偏置來降低功率。

　　自檢測模式的系統(tǒng)總體性能

　　我們分別在25 ℃、-40℃ 和85 ℃的條件下測試了10塊電路板,每塊包含四個數(shù)據(jù)采集通道。每個通道采用其相應(yīng)的自檢測DAC條件下進行測試。每塊板中的兩個通道(通道1和通道2)配置陸地檢波器放大器(CS3301),另兩個通道(通道3和通道4)則配置水下聽診器(CS3302)。這些電路板都配有PGA、ADC、抽取濾波器和自檢測DAC,它們都通過了量產(chǎn)測試,符合其說明書的各項指標(biāo)。表1列出了在這個測試中每個通道所獲得的平均線性水平。

　　在5V峰-峰差分信號水平和31.25Hz的測試頻率下,我們獲得的平均線性水平高于112dB。在5V電源條件下,平均功耗低于105mW 。雖然這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是為地震勘探應(yīng)用而特別設(shè)計的,但它也同樣可以應(yīng)用在許多其他對低頻率、高精度和低功耗有較高要求的應(yīng)用中。