基于可編程增益放大器和ADC實(shí)現(xiàn)低功耗高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

前言

在進(jìn)行石油和天然氣地震勘探時(shí)，整個(gè)勘探網(wǎng)格通常會(huì)建立 2，000到30，000個(gè)用于采集地殼內(nèi)巖層反射波的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)傳感器、一套具備自檢測功能的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及一套將數(shù)據(jù)返回中央記錄單元的遙感裝置。這種應(yīng)用的要求非?？量?，需要高度線性的帶寬動(dòng)態(tài)范圍在0.1 - 200Hz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于整個(gè)勘探網(wǎng)需要大量的節(jié)點(diǎn)，因此每個(gè)勘探節(jié)點(diǎn)的功耗必須很低，而且還要保證所有勘探節(jié)點(diǎn)能夠保持同步運(yùn)作。每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都由以下元件組成：一個(gè)地震檢波器或水下聽診器（分別用于陸地勘探和水下勘探）、一個(gè)可編程增益放大器、一個(gè)品模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)多功能抽樣濾波器和一個(gè)用于校準(zhǔn)和自檢測的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器。目前，專家們已經(jīng)成功設(shè)計(jì)出一種專門經(jīng)過優(yōu)化的低功耗高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體性能超過112dB線性（THD），具有在500 SPS 條件下高達(dá) 123dB的動(dòng)態(tài)范圍 （SNR）。數(shù)據(jù)采集部分的單個(gè)節(jié)點(diǎn)從5V 模擬電源獲得的功耗為105mW。

圖1 單個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)方框圖

在天然氣和石油地震勘探中，陸地勘探需要用爆破方式或地震波聲源車，水下勘探則需要使用氣炮制造地震波;勘探人員通過采集從地殼巖層反射回來的地震波就能繪制出該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。80年代早期，地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一種帶有自動(dòng)增益控制的瞬時(shí)“浮點(diǎn)”放大器和若干12位到16位連續(xù)漸進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然而，這類早期系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍只有約70dB。此外，受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所限，系統(tǒng)中的最大通道數(shù)量少于480個(gè)。80年代后期，通道數(shù)量增加到8000個(gè)，從而將行業(yè)地質(zhì)地圖繪制水平從2D提升到了3D。

90年代初，隨著品轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，數(shù)字采集分辨率從16位猛增到24位，動(dòng)態(tài)范圍也相應(yīng)增加到120dB。增加的動(dòng)態(tài)范圍大幅改善了圖像質(zhì)量，能夠顯示出過去無法看到的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

配置了傳感器的地表區(qū)域稱為網(wǎng)格。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)格大小和通道數(shù)量也得到了穩(wěn)步的提升。如今，陸地網(wǎng)格的覆蓋范圍已超過數(shù)平方公里，而水下網(wǎng)格在距離上已經(jīng)突破了10公里。例如，一個(gè)典型的由8個(gè)浮標(biāo)組成的水下網(wǎng)格就有7680個(gè)采集通道，長達(dá)12公里。水下和陸地勘探的通道數(shù)量和通道密度也有提升。未來的趨勢正向著每個(gè)系統(tǒng)突破30，000個(gè)通道發(fā)展。

由于多數(shù)勘探工作是在極度惡劣的環(huán)境下進(jìn)行的，這就需要極低功耗的數(shù)據(jù)采集通道，以減少所需使用的電池?cái)?shù)量。而且這些通道必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、高線性及采集前自檢測等功能，以確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完整性。除了這些獨(dú)立的要求外，每個(gè)通道還必須具有校準(zhǔn)功能，并與系統(tǒng)中的其他部分保持同步，以滿足其他系統(tǒng)在精確增益和相位精度方面的要求。

地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1顯示了一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。差分傳感器（分別是陸地勘探用地震檢波器和水下勘探用水下聽診器）通過一個(gè)可編程增益儀器放大器（PGIA）與負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換的品調(diào)節(jié)器相連接。調(diào)節(jié)器的1位輸出與多用途濾波器相連，濾波器對大量待采樣的品數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和濾波，并以編程輸出率輸出24位樣本。這些輸出樣本被緩沖到8 深度數(shù)據(jù)FIFO并傳輸?shù)较到y(tǒng)遙感裝置中。將濾波器單元中的檢測位流（TBS）發(fā)生器與測試DAC相連接就能啟動(dòng)系統(tǒng)自檢測功能。模擬檢測驅(qū)動(dòng)差分信號(hào)從檢測DAC進(jìn)入PGA的多工輸入，或直接進(jìn)入差分傳感器。數(shù)字回路折返測試直接將TBS數(shù)字輸出與濾波器單元的1位數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行內(nèi)部連接，以檢查濾波器功能的完整性。

圖 2 PGA方框圖 圖3 單位4階DS調(diào)節(jié)器

圖4 抽取濾波器芯片方框圖 圖5 自檢測DS DAC方框圖

可編程增益放大器（PGA）

傳感器與信號(hào)源距離的不同，所產(chǎn)生的信號(hào)長度也會(huì)各異。使用PGA對接收到的數(shù)據(jù)放大可以充分利用所有的ADC功能。圖2顯示的是PGA的內(nèi)部構(gòu)造。增益設(shè)置從1X到64X采用的是二進(jìn)制加權(quán)算法。每個(gè)PGA放大器都使用斷路器穩(wěn)定機(jī)制，以消除偏移電壓和1/f 噪聲效應(yīng)。該放大器的輸入?yún)⒖荚肼曨l率為0.1到2000Hz，輸入噪聲電壓為8.5 nV。

即使增益設(shè)置為36dB，PGA仍然表現(xiàn)出極高的線性（118dB）。采用了獨(dú)特的多路前饋架構(gòu)的放大器是完全可能實(shí)現(xiàn)這種性能的。采用這種特殊的多路前饋架構(gòu)可在極低的運(yùn)行功率（27.5mW）下獲得帶寬為200Hz的180dB開環(huán)增益。與目前主流的極補(bǔ)償放大器需要的10GHz總增益帶寬相比，這種多路前饋補(bǔ)償放大器結(jié)構(gòu)僅需要10MHz的總增益帶寬，因而節(jié)省了功率。

PGA是專為地震應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。在輸入MUX中，針對主信號(hào)流可選擇A輸入選項(xiàng);在通道校準(zhǔn)時(shí)選擇B輸入選項(xiàng);選擇內(nèi)部終止（800）可決定通道地噪聲選項(xiàng)。另一種設(shè)計(jì)功率和噪聲規(guī)格與之相類似，但沒有用于水下聽診器的高阻抗的斷路器穩(wěn)定接口。這種放大器的1/f角度為~10Hz。

圖6 自檢測DS DAC方框圖

調(diào)節(jié)器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）

圖3顯示的是該設(shè)計(jì)中應(yīng)用的4階單位品調(diào)節(jié)器。ADC的性能主要是由第一積分器和反饋DAC決定的。因此，這種調(diào)節(jié)器將大部分功率用在第一積分器上，以獲取最高的線性能力，并最大限度地減少噪聲。該設(shè)計(jì)通過選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器系數(shù)和動(dòng)態(tài)地調(diào)整第一積分器偏壓大幅節(jié)省了功率。此外，粗/精電荷采樣配置可用來降低非線性輸入電流導(dǎo)致的失真度。在所有電路中采用的全差分電路，也有助于降低噪聲并使線性達(dá)到最佳。

第一積分器還采用了一種時(shí)鐘化的動(dòng)態(tài)偏壓A類放大器，在每一個(gè)階段中都盡可能地降低了功率損耗。第一積分器中的放大器負(fù)責(zé)處理三個(gè)不同的任務(wù)，即回轉(zhuǎn)、沉降并維持輸出值。在調(diào)節(jié)器的第一積分器中，各個(gè)階段中動(dòng)態(tài)變化的電流水平也可以保證節(jié)省功率。更高的電流能夠在相對較短的時(shí)間內(nèi)完成回轉(zhuǎn)階段，為接下來的沉降階段節(jié)約了更多的時(shí)間。這樣就減少了放大器所需的互導(dǎo)（gm），從而節(jié)約了功率。回轉(zhuǎn)階段的電流強(qiáng)度是沉降階段電流強(qiáng)度的四倍。還有一個(gè)能夠節(jié)省功率的地方，那就是放大器的第一階段。放大器第二階段的樣本正是第一階段的輸出數(shù)據(jù)。這一階段的偏置電流有可能降低到沉降階段電流強(qiáng)度的四分之一。這樣可以節(jié)省約30%的功率。

抽取濾波器

采用低功率信號(hào)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(jì)的集成外設(shè)：如1個(gè)用于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(dòng)PLL、1個(gè)檢測DAC位流的發(fā)生器、1個(gè)時(shí)間間隔控制器，以及8個(gè)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(gè)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(dòng)確定SINC濾波器的系數(shù)和抽取率。

FIR濾波器用于補(bǔ)償SINC濾波器壓降并生成一個(gè)輸入信號(hào)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(jìn)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(jìn)行設(shè)置時(shí)，由此產(chǎn)生的帶寬測量幅度也相應(yīng)達(dá)到1600Hz到400MHz。偏移校準(zhǔn)算法可自動(dòng)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(hào)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(hào)，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(hào)隨之輸入到SYNC引腳。 MSYNC 為所有網(wǎng)絡(luò)操作設(shè)定了一個(gè)參考時(shí)間。MSYNC 階段將對調(diào)節(jié)器采樣進(jìn)行排列，即時(shí)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(shí)序。SINC濾波器也通過MSYNC信號(hào)隨時(shí)保持與外部系統(tǒng)的同步運(yùn)行。

自檢測 DAC

圖5顯示的是一個(gè)自檢測單位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（稱為檢測DAC）。這是一個(gè)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(dòng)的24位DAC。這也是為地震應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的。它能夠產(chǎn)生差分118dB的線性正弦曲線信號(hào)。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(fù)責(zé)進(jìn)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(jìn)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(shí)間內(nèi)持續(xù)地輸入電壓，然后再輸入數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位流。ADC輸入連續(xù)的時(shí)間信號(hào)與反饋信息，然后輸出單位數(shù)據(jù)。在這個(gè)DAC設(shè)計(jì)中，所有輸入的單位數(shù)據(jù)、輸出和反饋都是連續(xù)的時(shí)間信號(hào)，并通過同一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)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(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)采集通道。每個(gè)通道采用其相應(yīng)的自檢測DAC條件下進(jìn)行測試。每塊板中的兩個(gè)通道（通道1和通道2）配置陸地檢波器放大器（CS3301），另兩個(gè)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(xiàng)指標(biāo)。表1列出了在這個(gè)測試中每個(gè)通道所獲得的平均線性水平。

在5V峰-峰差分信號(hào)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(jì)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。

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