一種高動態(tài)范圍地震信號分級采集方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法及系統(tǒng)，所述方法包括：步驟1，確定輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，每一路輸入信號匹配一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；步驟2，對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍完全匹配相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號；步驟3，讀取并處理各路數(shù)字輸出信號，再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。所述系統(tǒng)的各模塊功能與所述方法的技術(shù)方案一一對應(yīng)。本發(fā)明使地震數(shù)據(jù)采集器既能采集較大幅度的地震信號而不易出現(xiàn)限幅，又對小信號有較高分辨率。
【專利說明】一種高動態(tài)范圍地震信號分級采集方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地震信號數(shù)字化【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是地震信號數(shù)字化必不可少的環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到最終獲得地震信號的質(zhì)量，并會影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果。地震觀測的信號幅度跨度很大，即其是一種高動態(tài)范圍的信號:例如地震觀測中，既要接收來自幾千公里之外的微弱地震、核震信號、地脈動及地球背景噪聲等微弱信號，又要近場監(jiān)測8級以上的大地震，總的動態(tài)范圍甚至高達(dá)160dB以上。目前寬頻帶地震計的噪聲水平小于2 μ V，而地震計的最大輸出幅度達(dá)到或超過了 ±20V (單端輸出)或±40V (差分輸出),輸出模擬電壓信號動態(tài)范圍可達(dá)到150dB以上。如美國Kinemetrics公司的寬頻帶地震計KS-2000，動態(tài)范圍為155dB。在早期的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換時代,地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中普遍采用瞬時浮點放大器IFP(InstantaneousFloating Point Amplifier，IFP)加多路開關(guān)來提高整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍，這一狀況一直延續(xù)了 20多年。1992年美國I/O公司首次推出采用24位delta_sigma(A Σ)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，引領(lǐng)了地震勘探設(shè)備的一場革命，很快，無論是有線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還是無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)紛紛擯棄IFP(瞬時浮點放大器)+16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計模式，無一例外地都采用了 24位△ Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器。但現(xiàn)代基于△ SAD轉(zhuǎn)換技術(shù)的高性能24位數(shù)據(jù)采集器的動態(tài)范圍RMS值(有效值)也只能達(dá)到130dB@250SPS，不能滿足地震信號寬動態(tài)范圍記錄的要求。由于地震計輸出信號的動態(tài)范圍比地震數(shù)據(jù)采集器的大，也由此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)采集器在記錄地震時對微小信號分辨率不夠，而在大地震時又容易使數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)限幅的現(xiàn)象。因此為保證儀器既能記錄諸如火山體的蠕動、遠(yuǎn)程人工爆破監(jiān)測、地脈動背景噪聲等微震信號，又能記錄大震級的天然地震，有的24位數(shù)據(jù)采集器設(shè)計增加了前置增益放大器或程控前置放大器以及可選的多級滿幅信號輸入范圍(比如滿幅輸入為±10V、±20V可選)，以此提高對小信號的分辨率和進(jìn)行大信號的測量，使其適應(yīng)實際中不同場合的需求。但這種方法并不能提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的真實動態(tài)范圍，即在提高分辨率時降低了滿幅信號值，或在增大了滿幅輸入范圍的同時，犧牲了分辨率，只適用于信號實際動態(tài)范圍不大且已知的情況，應(yīng)用有限；而且還要專業(yè)人員每次根據(jù)實際的應(yīng)用場合預(yù)先估測地震信號幅度范圍，再進(jìn)行人工設(shè)置，應(yīng)用不便；此外也不適于全范圍信號的記錄，比如地震臺站既要記錄地球背景噪聲、遠(yuǎn)震等微弱信號，又要監(jiān)測近場的大地震。
[0003]本發(fā)明針對地震數(shù)據(jù)采集器需要記錄大動態(tài)范圍的地震信號的使用需求，提出了一種按信號幅度實行高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種分級采集高動態(tài)范圍地震信號的方法及系統(tǒng)，用于解決地震觀測的信號幅度跨度很大、寬頻帶地震計輸出信號的動態(tài)范圍高的問題，以及解決24位地震數(shù)據(jù)采集器存在對小信號的分辨率不高、信噪比不高、對大信號容許度不夠、容易出現(xiàn)大信號限幅現(xiàn)象等問題。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種分級采集高動態(tài)范圍地震信號的方法，包括:
[0006]步驟1，確定輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且每一路輸入信號匹配有一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0007]步驟2，分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號；
[0008]步驟3，讀取各路數(shù)字輸出信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0009]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0010]進(jìn)一步，所述步驟I中根據(jù)要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號的最大電平幅度范圍或具有的最大動態(tài)范圍，以及單路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的動態(tài)范圍，確定輸入信號需要分成的級數(shù)。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟2具體包括:
[0012]步驟21，根據(jù)總的輸入信號的動態(tài)范圍和所需分成的級數(shù)，確定各路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器要轉(zhuǎn)換的信號電壓范圍；
[0013]步驟22，對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能承受的正常輸入電壓范圍；
[0014]步驟23，分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍相匹配；
[0015]步驟24，通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流電平一致；
[0016]步驟25，采用24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將各路模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字輸出信號。
[0017]進(jìn)一步,所述步驟25具體包括:
[0018]步驟251，采用4階Λ Σ調(diào)制器，將經(jīng)步驟21至步驟24處理過的模擬輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號；
[0019]步驟252，將一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
[0020]進(jìn)一步，所述步驟3具體包括:讀取各路24位數(shù)字輸出信號，對各路24位數(shù)字輸出信號均進(jìn)行線性一致性處理、靈敏度一致性處理、零輸入偏移處理和交越匹配處理，再將處理后的各路數(shù)字輸出信號通過移位進(jìn)行合并，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果O
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案還包括一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)，其包括依次連接的信號分配模塊、模擬信號處理模塊和數(shù)字信號處理模塊:
[0022]信號分配模塊，用于根據(jù)輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且為每一路輸入信號匹配一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0023]模擬信號處理模塊，用于分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號；
[0024]數(shù)字信號處理模塊，用于讀取各路數(shù)字輸出信號，并經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0025]進(jìn)一步，所述模擬信號處理模塊包括依次連接的過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路:
[0026]過壓保護(hù)電路，其用于對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過其承受的正常輸入電壓范圍；
[0027]幅度匹配電路，其用于分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍相匹配；
[0028]電平搬移電路，其用于通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與對應(yīng)的24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流電平一致。
[0029]進(jìn)一步，所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中集成有依次連接的Λ Σ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器:
[0030]所述Λ Σ調(diào)制器為4階Λ Σ調(diào)制器，用于將經(jīng)過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路處理過的各路模擬輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號；
[0031]所述數(shù)字抽取濾波器，用于將得到的一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
[0032]進(jìn)一步，所述數(shù)字信號處理模塊采用微控制單元MCU，所述MCU讀取各路數(shù)字輸出信號，對各路數(shù)字輸出信號均進(jìn)行線性一致性處理、靈敏度一致性處理、零輸入偏移處理和交越匹配處理，再將處理后的各路數(shù)字輸出信號通過移位進(jìn)行合并，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0033]進(jìn)一步，所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用型號為ADS1255的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0034]本發(fā)明的有益效果是:地震觀測的信號幅度跨度很大，動態(tài)范圍在160dB以上；現(xiàn)代寬頻帶地震計的輸出信號動態(tài)范圍也達(dá)到了 150dB以上，而當(dāng)前普遍使用的24位地震數(shù)據(jù)采集器動態(tài)范圍只有130dB@250SPS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際地震觀測的需求，導(dǎo)致在記錄小信號時分辨率不夠、信噪比不高，而在記錄大地震時又容易出現(xiàn)限幅現(xiàn)象。本發(fā)明能使用24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集動態(tài)范圍超過24位轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的最大動態(tài)范圍的信號，擴(kuò)大24位AD采集器的信號輸入幅度范圍，能采集具有大動態(tài)范圍的地震信號，能夠?qū)崿F(xiàn)150dB以上動態(tài)范圍、±20V滿幅輸入范圍的采集要求，在實際應(yīng)用中使采集器既能夠滿足對微小地震信號高分辨力的要求，又能夠完整記錄大幅度的地震信號而不易出現(xiàn)限幅失真的現(xiàn)象，具有廣泛的應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明所述高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法的流程示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明所述高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明所述高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)的應(yīng)用示例圖；[0038]圖4為實施例中實現(xiàn)高動態(tài)范圍地震信號采集的應(yīng)用例示意圖。
[0039]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0040]1、信號分配模塊,2、模擬信號處理模塊,3、數(shù)字信號處理模塊,4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,21、過壓保護(hù)電路，22、幅度匹配電路，23、電平搬移電路，41、Λ Σ調(diào)制器，42、數(shù)字抽取濾波器。
【具體實施方式】
[0041]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0042]如圖1所示，本實施例提出了一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法，包括:
[0043]步驟1，確定輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且每一路輸入信號匹配有一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？芍?，分級后各路要轉(zhuǎn)換的輸入信號幅度范圍不同。另外，這里是根據(jù)要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號的最大電平幅度范圍或具有的最大動態(tài)范圍，以及單路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的動態(tài)范圍，確定輸入信號需要分成的級數(shù)。
[0044]步驟2，分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號。
[0045]步驟3，讀取各路數(shù)字輸出信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0046]所述步驟2又具體包括:
[0047]步驟21，根據(jù)總的輸入信號的動態(tài)范圍和所需分成的級數(shù)，確定各路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器要轉(zhuǎn)換的信號電壓范圍；
[0048]步驟22，對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能承受的正常輸入電壓范圍；
[0049]步驟23，分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍相匹配；
[0050]步驟24，通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流電平一致；
[0051]步驟25，采用24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將各路模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字輸出信號。
[0052]其中，所述步驟25具體包括:
[0053]步驟251，采用4階Λ Σ調(diào)制器，將經(jīng)步驟21至步驟24處理過的模擬輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號；
[0054]步驟252，將一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
[0055]對應(yīng)上述高動態(tài)范圍地震信號的采集方法,本實施例還給出一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)包括依次連接的信號分配模塊1、模擬信號處理模塊2和數(shù)字信號處理模塊3:
[0056]信號分配模塊1，用于根據(jù)輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且為每一路輸入信號匹配一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器4;
[0057]模擬信號處理模塊2，用于分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號；
[0058]數(shù)字信號處理模塊3，用于讀取各路數(shù)字輸出信號，并經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0059]如圖3所示，在具體的實施過程中，所述模擬信號處理模塊2包括依次連接的過壓保護(hù)電路21、幅度匹配電路22和電平搬移電路23，同時所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器4中集成有依次連接的4階Λ Σ調(diào)制器41和數(shù)字抽取濾波器42。
[0060]所述過壓保護(hù)電路21用于對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過其承受的正常輸入電壓范圍；所述幅度匹配電路22用于分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍相匹配；所述電平搬移電路23用于通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流電平一致。
[0061]所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器4，用于根據(jù)各路輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍，將經(jīng)過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路處理的各路輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號:所述4階Λ Σ調(diào)制器41，用于將經(jīng)過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路處理過的各路輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號；所述數(shù)字濾波器42，用于將得到的一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
[0062]本實施例中，所述數(shù)字信號處理模塊3可采用MCU，而所述MCU讀取各路數(shù)字輸出信號，對各路數(shù)字輸出信號均進(jìn)行線性一致性處理、靈敏度一致性處理、零輸入偏移處理和交越匹配處理，再將處理后的各路數(shù)字輸出信號通過移位進(jìn)行合并，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0063]根據(jù)上述高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)和方法的基本技術(shù)方案，本實施例給出了一個實現(xiàn)高動態(tài)范圍地震信號采集的具體應(yīng)用例。
[0064]如圖4所示，高動態(tài)范圍的模擬輸入信號由信號分配器(相當(dāng)于信號分配模塊)將輸入信號分為兩路，每一路前端均設(shè)置有過壓保護(hù)電路，保證從本路輸入的信號電壓范圍不會超過本路所能承受的正常輸入電壓范圍，因而能夠保護(hù)本路不會因輸入過載而損壞。輸入信號經(jīng)過壓保護(hù)電路后進(jìn)入高精度低噪聲的前置放大器進(jìn)行放大或幅度匹配(即幅度匹配電路采用該前置放大器)，每路的放大倍數(shù)或幅度匹配放大因子因本路輸入信號的幅度范圍不同而不同，對于大幅度輸入級，幅度匹配放大因子可能會小于1，而對于小幅度輸入級，放大倍數(shù)則會大于I。經(jīng)幅度放大或匹配后的信號再經(jīng)過電平搬移電路，使輸入信號的中間直流電平經(jīng)電平搬移后跟模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入直流電平的中間值一致。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1255，其差分輸入信號由ΑΙΝ0、ΑΙΝ1兩引腳輸入。高精度參考電壓源采用ADR441，為ADS1255提供2.5V低噪聲、低溫漂的AD轉(zhuǎn)換參考電壓，其參考電壓輸出接至ADS1255的VREFP引腳端。
[0065]為了提高系統(tǒng)采集精度，降低系統(tǒng)噪聲，采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分與數(shù)字控制部分(圖4中分別用兩個虛線框示意模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和數(shù)字控制部分)采取電隔離設(shè)計，數(shù)字控制部分主要包括控制處理器(相當(dāng)于數(shù)字信號處理模塊采用該控制處理器)及控制部分電源。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字隔離器隔離后再與控制處理器連接，控制部分電源也經(jīng)過DC-DC隔離電源穩(wěn)壓模塊后再給模數(shù)轉(zhuǎn)換部分供電，使兩部分的地線實現(xiàn)完全隔離，避免數(shù)字控制部分的數(shù)字脈沖干擾通過電源和地線串入模數(shù)轉(zhuǎn)換部分而形成噪聲。數(shù)字隔離器采用磁隔離方式的數(shù)字隔離模塊ADUM14XX系列，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1255的數(shù)字接口控制信號SCLK、DIN、DOUT, DRDY, CS經(jīng)數(shù)字隔離器后再分別與控制處理器相連，其中兩ADS1255的SCLK信號和兩DIN信號在經(jīng)隔離前分別相連，以節(jié)省硬件控制系統(tǒng)資源?？刂铺幚砥鞑捎肁RM9嵌入式控制處理器S3C2440，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。兩路24位的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)控制處理器由數(shù)字接口讀入，經(jīng)控制處理器判斷和運(yùn)算，合并為32位的采集結(jié)果，實現(xiàn)有效值(RMS)為150dB@50SPS的高動態(tài)采集目標(biāo)?？刂撇糠蛛娫窗演斎?2V電源變換并穩(wěn)壓成3.3V和5V的穩(wěn)定、低紋波電壓，其中3.3V為數(shù)字控制部分供電，5V電壓再經(jīng)DC-DC隔離電源穩(wěn)壓模塊后分為兩路為模數(shù)轉(zhuǎn)換部分供電，其中一路經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓成3.3V并濾波后為模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的數(shù)字部分供電，另一路經(jīng)穩(wěn)壓和濾波電路處理后為模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的模擬部分提供5V的低噪聲穩(wěn)定工作電源。同時模擬部分的5V電源再經(jīng)高精度參考電壓源ADR441穩(wěn)壓為2.5V高穩(wěn)定低噪聲低溫漂的電壓為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供高精度參考電壓。
[0066]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集方法，其特征在于，包括: 步驟1，確定輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且每一路輸入信號匹配有一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 步驟2，分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號； 步驟3，讀取各路數(shù)字輸出信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級采集方法，其特征在于，所述步驟I中根據(jù)要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號的最大電平幅度范圍或具有的最大動態(tài)范圍，以及單路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的動態(tài)范圍，確定輸入信號需要分成的級數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級采集方法，其特征在于，所述步驟2具體包括: 步驟21，根據(jù)總的輸入信號的動態(tài)范圍和所需分成的級數(shù)，確定各路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器要轉(zhuǎn)換的信號電壓范圍； 步驟22，對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能承受的正常輸入電壓范圍； 步驟23，分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍相匹配； 步驟24，通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與該路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流 電平一致； 步驟25，采用24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將各路模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字輸出信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分級采集方法，其特征在于，所述步驟25具體包括: 步驟251，采用4階的Λ Σ調(diào)制器，將經(jīng)步驟21至步驟24處理過的模擬輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號； 步驟252，將一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級采集方法，其特征在于，所述步驟3具體包括:讀取各路24位數(shù)字輸出信號，對各路24位數(shù)字輸出信號均進(jìn)行線性一致性處理、靈敏度一致性處理、零輸入偏移處理和交越匹配處理，再將處理后的各路數(shù)字輸出信號通過移位進(jìn)行合并，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
6.一種高動態(tài)范圍地震信號的分級采集系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的信號分配模塊、模擬信號處理模塊和數(shù)字信號處理模塊: 信號分配模塊，用于根據(jù)輸入信號需要分成的級數(shù)，將要采集的高動態(tài)范圍地震模擬輸入信號分成相應(yīng)級數(shù)的多路輸入，且為每一路輸入信號匹配一路24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模擬信號處理模塊，用于分別對各路輸入信號依次進(jìn)行過壓保護(hù)、幅度匹配和電平搬移，使輸入信號幅度范圍與相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍完全匹配，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換得到各路輸入信號對應(yīng)的24位數(shù)字輸出信號； 數(shù)字信號處理模塊，用于讀取各路數(shù)字輸出信號，并經(jīng)數(shù)字信號處理后再合并各路數(shù)字輸出信號，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分級采集系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬信號處理模塊包括依次連接的過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路: 過壓保護(hù)電路，其用于對各路輸入信號進(jìn)行過壓保護(hù)，保證該路輸入信號的電壓范圍不超過其承受的正常輸入電壓范圍； 幅度匹配電路，其用于分別給每路輸入信號確定一個相應(yīng)的匹配放大因子，通過匹配放大因子使該路輸入信號的幅度范圍跟該路輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍相匹配； 電平搬移電路，其用于通過直流電平位移處理，使各路輸入信號的中間直流電平與對應(yīng)的24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的中間直流電平一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分級采集系統(tǒng)，其特征在于，所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中集成有依次連接的Λ Σ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器: 所述Λ Σ調(diào)制器為4階Λ Σ調(diào)制器，用于將經(jīng)過壓保護(hù)電路、幅度匹配電路和電平搬移電路處理過的各路模擬輸入信號調(diào)制為高頻的一比特流數(shù)字信號； 所述數(shù)字抽取濾波器，用于將得到的一比特流數(shù)字信號經(jīng)抽取和濾波轉(zhuǎn)換為24位的二進(jìn)制數(shù)字信號輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分級采集系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號處理模塊采用微控制單元MCU，所述MCU讀取各路數(shù)字輸出信號，對各路數(shù)字輸出信號均進(jìn)行線性一致性處理、靈敏度一致性處理、零輸入偏移處理和交越匹配處理，再將處理后的各路數(shù)字輸出信號通過移位進(jìn)行合并，得到32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用型號為ADS1255的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】G01V1/22GK103837887SQ201410056743
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】胡星星, 滕云田, 王喜珍, 張煉, 王曉美, 張旸, 馬潔美, 范曉勇, 盧紅婭 申請人:中國地震局地球物理研究所