LHA9954用于地震波檢測(cè)應(yīng)用的低噪聲、低功耗解決方案

1. 引言

地震波不僅指地震產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，而是施加在地面上的任何力，即便是人在地面上走路那么小的力，都可能產(chǎn)生的擾動(dòng)。地震波檢測(cè)相關(guān)應(yīng)用屬于典型的工業(yè)級(jí)精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且需要兼顧低功耗和超低噪聲。

從地震波數(shù)據(jù)中可以提取大量信息，通過(guò)大量部署節(jié)點(diǎn)設(shè)備并將其互連，從各節(jié)點(diǎn)設(shè)備提取出來(lái)的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)科學(xué)分析或建模有著廣泛的應(yīng)用，例如地球物理研究，能源勘探，建筑或工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。下面介紹幾種常見(jiàn)應(yīng)用：

1.1.地震預(yù)警系統(tǒng)

地震是由構(gòu)造板塊的運(yùn)動(dòng)和碰撞引發(fā)的事件。碰撞產(chǎn)生的能量以地震波的形式在地球內(nèi)部表面周?chē)鷤鞑?。這些波有多個(gè)方向，分為體波和面波。

體波有兩種類(lèi)型：縱波（P波）和橫波（S波）。P波以一系列壓縮波和稀疏波的形式沿傳播方向行進(jìn)。由于其傳播的性質(zhì)， P波呈球面發(fā)散。雖然其波能衰減在所有類(lèi)型的波中是最大的，但其速度最快，介于 5 km/s 至 8 km/s 之間?？焖倌芰克p也使其成為破壞性最小的一類(lèi)波。 P波不僅可以通過(guò)表面?zhèn)鞑ィ€可以通過(guò)水或流體傳播。S波也稱為剪切波，緊隨P波之后到達(dá)。其沿地球表面?zhèn)鞑サ乃俣燃s為P波的60%至70%。此類(lèi)波垂直于傳播方向和地球表面行進(jìn)。 S波的能量衰減較少，比P波更具破壞性。P波和S波統(tǒng)稱為體波。

面波比體波慢10%，但破壞力最大。值得注意的是，地震波的傳播速度與其經(jīng)過(guò)的土壤類(lèi)型有很大關(guān)系。面波由瑞利波和勒夫波組成。瑞利波是一種以紋波形式在地表附近傳播的面波，它會(huì)引起順行（沿傳播方向）或逆行（與傳播方向相反）旋轉(zhuǎn)。由于其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，它也被稱為地滾波。勒夫波的行進(jìn)方向與傳播方向正交，但與地球表面平行。

S波和面波是更具破壞性的地震波，但其傳播速度比破壞性最小的P波要慢。利用這種特征可以實(shí)現(xiàn)一種檢測(cè)地震早期跡象的地震預(yù)警系統(tǒng)。這樣，所有類(lèi)型的系統(tǒng)都有一個(gè)很短的時(shí)間來(lái)作出響應(yīng)，防止地震造成重大破壞。在劇烈地面震動(dòng)發(fā)生前的一刻，住宅和商業(yè)建筑將能夠關(guān)閉電力系統(tǒng)和天然氣管道。使用保護(hù)區(qū)域周?chē)鄠€(gè)位置部署的地震傳感器網(wǎng)絡(luò)，將有助于增加允許的反應(yīng)時(shí)間。另外，非地震源引起的誤報(bào)也會(huì)降到最低。

1.2.遠(yuǎn)程地震網(wǎng)絡(luò)

火山學(xué)和地震學(xué)研究將地震傳感器部署在險(xiǎn)峻（有時(shí)甚至危險(xiǎn)）的地形中。監(jiān)測(cè)火山內(nèi)部過(guò)程需要在多點(diǎn)進(jìn)行地震動(dòng)監(jiān)測(cè)。在火山活動(dòng)的某些階段之后，這些位置可能會(huì)變得危險(xiǎn)，并使地震傳感器無(wú)法取回。低成本、低功耗地震傳感器將會(huì)降低研究成本，同時(shí)保持很長(zhǎng)的使用壽命。另一個(gè)類(lèi)似情況是板塊運(yùn)動(dòng)的特征，這也需要沿著斷層線部署大量地震傳感器。

1.3.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用于工程災(zāi)害預(yù)防和樓宇安全，比如工程地質(zhì)環(huán)境的變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)體的受力狀況變化，可能在內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的損傷或破裂，甚至誘發(fā)災(zāi)變。利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)一些重大的隧道工程、橋梁等在使用期間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)的微破裂前兆、損傷程度等，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，確保使用期間的營(yíng)運(yùn)安全。在損壞的情況下，廣泛分布的地震傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定位結(jié)構(gòu)損壞區(qū)域，從而降低目視檢查的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

1.4.能源勘探

地震勘探是地球物理研究和能源勘探的常用方法，其原理是利用人工方法激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來(lái)勘探地下的地質(zhì)情況。通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備記錄和分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，能較準(zhǔn)確地測(cè)定這些界面的深度和形態(tài)，判斷地層的巖性，是勘探含油氣構(gòu)造甚至直接找油的主要物探方法。

在2022年初剛剛結(jié)束的兩會(huì)上，***總理作政府工作報(bào)告，將“能源安全”上升至與“糧食安全”同等重要的戰(zhàn)略高度。持續(xù)高質(zhì)量勘探出新的油氣資源，是保障中國(guó)能源安全，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。

2. 方案介紹

2.1. 傳感器

業(yè)界常用的傳感器是地震檢波器。它是一種地震動(dòng)速度傳感器，其重量輕，堅(jiān)固耐用，不需要任何電源即可工作?，F(xiàn)代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵，并被一個(gè)線圈包圍。線圈被彈簧懸掛起來(lái)，可以在磁體上移動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)相對(duì)于磁鐵的速度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓信號(hào)。檢波器沿著陣列被植入地面，測(cè)量地震波從非連續(xù)面（如層面）反射回來(lái)的時(shí)間，如圖1所示。

圖1. 地震源和檢波器陣列

2.2. 數(shù)據(jù)采集

要精確測(cè)量和分析從地下深層反射回來(lái)的微弱地震波信號(hào)，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求極其苛刻。檢波器通常輸出的信號(hào)幅度最小只有幾十μV，因此要求信號(hào)鏈總均方根噪聲應(yīng)小于1.0 μV rms。而在施加外界激勵(lì)的情況下，信號(hào)幅度能達(dá)到幾十mV，甚至1~2V，因此要求信號(hào)鏈動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到140dB。另外，由于地震波信號(hào)頻率較為豐富，要求信號(hào)鏈有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右，同時(shí)為避免其諧波分量和有效信號(hào)發(fā)生混疊，需要信號(hào)產(chǎn)生的諧波分量盡可能的小，做到超低失真，因此THD需要優(yōu)于-120dB。因?yàn)榈卣鸨O(jiān)測(cè)儀器都埋在地表由電池供電且需要長(zhǎng)時(shí)間工作，因此功耗要控制在20mW以內(nèi)。

2.3. 信號(hào)鏈方案

領(lǐng)慧立芯公司（Legendsemi）最新推出的32位超高分辨率ADC LHA9954，針對(duì)地震波檢測(cè)信號(hào)鏈面臨的挑戰(zhàn)提供了完美的解決方案。該產(chǎn)品擁有卓越的性能：

集成可編程增益放大器：1,2,4,8,16,32,64

集成寬帶數(shù)字濾波器：Sinc + 有限脈沖響應(yīng) (FIR) + 無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)（可選）

超低噪聲：135.4dB SNR（250 SPS，PGA = 1）

超低總諧波失真度（THD）：–130dB

極低功耗： 12mW （高分辨率模式），7mW （低功耗模式）

極高共模抑制比（CMRR）：127dB

雙通道多路復(fù)用器：第二通道用于自測(cè)

3.測(cè)試結(jié)果及分析

3.1. 典型電路

一種基于LHA9954的典型檢波器前端應(yīng)用電路如圖2所示，其中LHA9954在雙極性±2.5V模擬電源下工作，它還可以在單極性5V模擬電源下工作。

圖2. 檢波器信號(hào)鏈典型電路

檢波器輸入信號(hào)由差模濾波器（元件C4和R1至R4）和共模濾波器（元件C2、C3和R1、R2）濾波。差模濾波器從輸入信號(hào)中去除高頻差模分量，共模濾波器去除兩條輸入引線的共模高頻分量。電阻器R5和R6將信號(hào)輸入偏置到中間電源點(diǎn)（地）。對(duì)于單電源操作，將偏置設(shè)置為低阻抗中間電源點(diǎn) (AVDD/2=2.5V)。

可選的二極管鉗位保護(hù)LHA9954 輸入免受高電平電壓瞬變和過(guò)載的影響。如果可能的高電平輸入瞬變和浪涌超過(guò)ADC內(nèi)部ESD二極管的額定值，二極管會(huì)提供額外的保護(hù)。

LHR3050 5V基準(zhǔn)為ADC提供基準(zhǔn)?？蛇x的濾波器網(wǎng)絡(luò)（R7和C5）可降低帶內(nèi)參考噪聲，從而提高動(dòng)態(tài)性能。然而，RC濾波器網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加濾波器的穩(wěn)定時(shí)間（從幾秒到幾分鐘），具體取決于電容C5的介電吸收特性。電容C7是強(qiáng)制性的，提供參考輸入的高頻旁路；將C7盡可能靠近LHA9954引腳。電阻器R7（1kΩ）會(huì)導(dǎo)致1%的系統(tǒng)增益誤差。多個(gè)ADC可以共享一個(gè)參考，但如果共享，則為每個(gè)ADC使用獨(dú)立的參考濾波器。

3.2. 評(píng)估板方案

本文信號(hào)鏈方案的主要性能，使用如圖3所示的評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試。

圖3. 檢波器信號(hào)鏈評(píng)估板

ADC配置及數(shù)據(jù)顯示和采集使用配套上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，如圖4。

圖4. 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集

3.3.結(jié)果分析

（1）噪聲性能

表格1. 高分辨率模式 SNR (dB) 和輸入?yún)⒖荚肼?(μVRMS)

表格2. 低功耗模式 SNR (dB) 和輸入?yún)⒖荚肼?(μVRMS)

（2）總諧波失真度

PGA = 1, Vin= 2.36V@31.25HzSine Wave, Temperature = 25℃,First 5 Harmonics

PGA = 2, Vin= 1.18V@31.25HzSine Wave, Temperature = 25℃,First 5 Harmonics

PGA = 4, Vin= 590mV@31.25HzSine Wave, Temperature = 25℃,First 5 Harmonics

（3）功耗

HR模式功耗對(duì)比

LP模式功耗對(duì)比

Standby和PowerDown模式對(duì)比

4.總結(jié)

本文方案中使用的32位高精度ADC LHA9954主要針對(duì)精密測(cè)量?jī)x器如能源勘探，地震監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備等領(lǐng)域。該產(chǎn)品擁有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，核心指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)兼具超低功耗，針對(duì)我國(guó)能源勘探所面臨的挑戰(zhàn)提供了完美的解決方案，打破了國(guó)外芯片廠商幾十年的獨(dú)家壟斷，為中國(guó)能源安全保駕護(hù)航。

審核編輯：湯梓紅