用于大型地震勘探網的高精度低功耗自檢測數據采集系統(05-100)

　　抽取濾波器

　　采用低功率信號處理架構的多功能數字濾波器能夠高效地過濾及抽取前述的單位品調節器輸出的數據。如圖4所示,這種濾波芯片包括若干用于簡化系統設計的集成外設：如1個用于標準時鐘或曼徹斯特碼輸入、抽取與濾波引擎、偏移與增益校準的低抖動PLL、1個檢測DAC位流的發生器、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節器中的帶外噪聲。在這個過程中,它將單位品數據抽取為適應FIR和IIR濾波器的24位數據。選定的輸出字率將自動確定SINC濾波器的系數和抽取率。

　　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,也可以根據定制的濾波器反應進行系數編程。

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

　　數字濾波器芯片內置的數字信號發生器能夠產生單位正弦波或脈沖函數。該數字檢測位流與CS4373檢測DAC相連,可產生高質量的模擬檢測信號,或用于測試數字濾波器和數字采集電路內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 為所有網絡操作設定了一個參考時間。MSYNC 階段將對調節器采樣進行排列,即時保障了測量網絡內模擬采樣的同步性。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的同步運行。

　　自檢測 DAC

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

　　低失真度 ADC 的工作原理也被應用在低失真度DAC 當中。 ADC中的第一積分器在一段時間內持續地輸入電壓,然后再輸入數字數據位流。ADC輸入連續的時間信號與反饋信息,然后輸出單位數據。在這個DAC設計中,所有輸入的單位數據、輸出和反饋都是連續的時間信號,并通過同一個電路實現。詳細架構參見圖6。第一積分器與上文所述的ADC中的第一積分器相同,能夠通過動態偏置來降低功率。

　　自檢測模式的系統總體性能

　　我們分別在25 ℃、-40℃ 和85 ℃的條件下測試了10塊電路板,每塊包含四個數據采集通道。每個通道采用其相應的自檢測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,它們都通過了量產測試,符合其說明書的各項指標。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 。雖然這套數據采集系統是為地震勘探應用而特別設計的,但它也同樣可以應用在許多其他對低頻率、高精度和低功耗有較高要求的應用中。■