高尚華 薛 兵 蔣久明 鄒鎮(zhèn)宇

（中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036）

大動態(tài)寬頻帶觀測一直是地震觀測中追求的目標(biāo)，因此“十五”期間在很多臺站布設(shè)了動態(tài)范圍大線性度好的寬頻帶地震儀，但這似乎還不能滿足現(xiàn)實需要，比如，2008年的汶川地震，使得千里之外的寬頻帶地震儀都因為動態(tài)范圍不足而出現(xiàn)了限幅問題。就當(dāng)前中國的現(xiàn)狀來看，地震計的動態(tài)范圍（140 dB以上）比地震數(shù)據(jù)采集器的（130 dB左右）大，所以在這里主要針對數(shù)據(jù)采集器進行了研究，爭取達到26位的分辨率、±15 V的滿量程以及145 dB以上的動態(tài)范圍，以緩解/消除大地震到來時觀測儀器易出現(xiàn)的幅度受限問題。

過采樣Δ－∑（增量總和）技術(shù)和多斜積分技術(shù)都可以實現(xiàn)較高有效位數(shù)的AD轉(zhuǎn)換，但多斜積分ADC轉(zhuǎn)換時間較慢，如安捷倫HP3458A8?位數(shù)字多用表，工作在8?位（相當(dāng)于27～28位二進制）狀態(tài)時一秒鐘只能轉(zhuǎn)換6次。而在地震觀測中，需要記錄的天然地震的地震波頻帶主要為360 s到50 Hz，這要求所使用的地震數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率在100 Hz以上，顯然多斜積分方案滿足不了要求。因此，我們應(yīng)用多比特△-∑技術(shù)來實現(xiàn)26位高分辨的AD轉(zhuǎn)換。

圖1是我們提出的帶有數(shù)字校正的Δ－∑ADC設(shè)計框圖。如圖所示，采用線性度好、噪聲低的ADC和DAC芯片來搭建Δ－∑反饋環(huán)。采用數(shù)字校正模塊來補償反饋回路中N位DAC的非線性失真，該模塊內(nèi)部含有一個可隨機訪問的存儲器，存儲器中存儲的是各種可能的輸入代碼下DAC輸出電壓的標(biāo)稱值和實測值之差（用數(shù)字方式表示），尋址方式是DAC的N位輸入代碼。Δ－∑AD轉(zhuǎn)換器輸出的是高速率低分辨率的數(shù)據(jù)流。為從中獲取所需要的信號（如地震波形），擬利用最小相位/線性相位FIR數(shù)字濾波器來進行采樣率變換，將該高速率低分辨率的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速率高分辨率的數(shù)據(jù)信號，并對其進行編碼，以便后續(xù)的處理、存儲和傳輸。

我們在Matlab/Simulink環(huán)境中對上述設(shè)計方案進行了實現(xiàn)，并對輸出數(shù)據(jù)做了頻譜分析。實驗表明，在輸入信號為2 V的25 Hz正弦波、1 V的200 Hz正弦波以及－5 V直流的疊加、過采樣頻率為64 kHz、積分器設(shè)計為三階的條件下，200 Hz帶寬內(nèi)量化噪聲可衰減到－200 dB。

16位ADC芯片的量化噪聲在－100 dB左右，使用多比特反饋環(huán)后可以達到－200 dB，這說明上述提出的設(shè)計方案是切實可行的。在進行具體的電路設(shè)計時，由于受運算放大器等元器件非理想特性的影響，效果可能沒有這么好。不過，當(dāng)前優(yōu)質(zhì)的低噪聲低漂移放大器的性能指標(biāo)也能達到8～9個量級，所以有望在實際中達到預(yù)定目標(biāo)。

圖1 提出的帶有數(shù)字校正的Δ－∑ADC設(shè)計框圖