淺談地震勘探網(wǎng)格數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可編程增益儀表放大器

本白皮書介紹了用于大型地震勘探網(wǎng)格的低功耗，高精度，自測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它簡要介紹了地震勘探以及在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用的組件。

天然氣和石油的地震勘探包括在陸地勘探情況下使用炸藥爆炸或振動(dòng)的ump擊卡車產(chǎn)生地震波，在海洋勘探情況下使用氣槍產(chǎn)生地震波；并獲取來自地球巖石層的反射波，以繪制地下結(jié)構(gòu)圖。1980年代的早期地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了具有自動(dòng)增益控制（AGC）的瞬時(shí)“浮點(diǎn)”放大器以及12至16位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。但是，這些早期系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍限制為大約70db。此外，由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集的限制，系統(tǒng)中的最大通道數(shù)少于480。在1980年代后期，頻道數(shù)量增加到最多8000個(gè)頻道，

隨著90年代初引入delta sigma轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采集分辨率從16位急劇增加到24位，從而產(chǎn)生120dB的動(dòng)態(tài)范圍。通過解決以前看不見的地下結(jié)構(gòu)，增加的動(dòng)態(tài)范圍大大改善了圖像質(zhì)量。

地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集??通道如圖1所示。差分傳感器（分別用于陸地和海洋勘探的地震檢波器或水聽器傳感器）通過可編程增益儀表放大器（PGIA）連接到?Σ調(diào)制器，并在其中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。調(diào)制器的1位輸出連接到多功能濾波器，在該濾波器中，對過采樣的?Σ數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，并以編程的輸出速率將其濾波為24位輸出采樣。這些輸出樣本被緩沖到一個(gè)8位深的數(shù)據(jù)FIFO中，然后傳遞給系統(tǒng)遙測系統(tǒng)。通過將濾波器模塊中的測試位流（TBS）生成器連接到測試DAC，可以執(zhí)行系統(tǒng)的自測試。模擬測試將來自測試DAC的差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)到PGIA的多路復(fù)用輸入中，或直接送到差分傳感器。

地震單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

可編程增益儀表放大器（PGIA）

來自傳感器的信號(hào)強(qiáng)度隨其相對于信號(hào)源的距離而變化。通過使用PGIA放大接收信號(hào)來利用ADC的滿量程。圖2說明了該P(yáng)GIA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。增益設(shè)置為二進(jìn)制加權(quán)值，范圍是1X到64X。PGIA中的每個(gè)放大器均經(jīng)過斬波穩(wěn)定，以消除失調(diào)電壓并消除1 / f噪聲的影響。從0.1到2000 Hz，該放大器的輸入?yún)⒖荚肼暈?.5 nV /√Hz。

PGIA的框圖表示

該放大器的開環(huán)增益和相位圖如圖3所示。曲線A顯示了一個(gè)主極放大器的增益和相位圖，而曲線B則是一個(gè)多徑前饋補(bǔ)償放大器。這清楚地表明了多徑前饋補(bǔ)償放大器的單位增益帶寬的減少，從而節(jié)省了功率。

（A）主極放大器和（B）多徑前饋補(bǔ)償放大器的增益和相位圖

儀表放大器專為地震應(yīng)用而設(shè)計(jì)。輸入MUX可以選擇輸入A作為主信號(hào)流；輸入MUX可以選擇輸入A作為主信號(hào)流。輸入B用于通道校準(zhǔn);和內(nèi)部終端（800Ω）來確定通道的噪聲性能。配套放大器，具有類似的功率和噪聲規(guī)格，但沒有斬波器穩(wěn)定功能，無法連接到高阻抗水聽器。該放大器的1 / f轉(zhuǎn)角約為10 Hz。

Delta Sigma調(diào)制器（ADC）

此設(shè)計(jì)中使用了如圖4所示的四階單比特增量sigma調(diào)制器。第一積分器和反饋DAC主要決定ADC的性能。因此，在第一積分器中利用了該調(diào)制器的大部分功率預(yù)算，以最大化線性度并最小化噪聲。In this design, significant power savings were achieved by the proper choice of the modulator coefficients, and also by dynamically biasing the first integrator.粗略/精細(xì)電荷采樣方案用于減少由非線性輸入電流引起的失真。所有模塊均使用全差分電路，以減少噪聲拾取并最大程度地提高線性度。

一位四階ΔΣ調(diào)制器

抽取濾波器

抽取濾波器芯片框圖

抽取濾波器中的濾波器塊

如前所述，利用低功耗信號(hào)處理架構(gòu)的多功能功能可對來自單個(gè)ΔΣ調(diào)制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的濾波和抽取。如圖5所示，該濾波器芯片包括集成的外圍設(shè)備，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一個(gè)用于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘或曼徹斯特輸入，偏移和增益校準(zhǔn)與校正的低抖動(dòng)PLL，一個(gè)測試DAC位流發(fā)生器，一個(gè)時(shí)斷控制器和八個(gè)通用I / O引腳。數(shù)字濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。FIR和IIR濾波器的數(shù)字濾波器系數(shù)包含在芯片上，用于樣品設(shè)置，也可以針對定制應(yīng)用進(jìn)行編程。

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