（信号与信息处理专业论文）基于fpga的高精度地震勘探数据采集系统.pdf

基于f p g a 的高精度地震勘探数据采集系统 作者简介：龚江涛，男，1 9 8 1 年0 5 月出生，2 0 0 4 年0 9 月师从于成都理工大学 陈金鹰教授，于2 0 0 7 年0 6 月获硕士学位。 摘要 本文分析了当代高精度地震勘探数据采集系统的发展现状，研究了数据采集 的a d 方法及理论、现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 技术的发展及原理，串口通信的原理及实现。在此基础上，探讨了采用f p g a 控制 2 4 位a 模数转换器来实现高精度地震勘探数据采集系统的实现思路，对探测 传感器或检波器后端数据采集系统的信号a d 转换、f p g a 与外部接口设计、串口 数据通信做了详细的研究，尤其是在用f p g a 来完成与外部a d c 的接口控制上做了 深入的开发和设计，整个接口控制模块采用v h d l 语言编写，并同时将r o m 、f i f 0 等数字逻辑模块一起集成到一片f p g a 芯片当中，并在q u a r t u si i6 0 的开发平台 上通过了软件仿真，时序仿真结果达到了系统要求。 关键词：地震勘探数据采集模数转换器现场可编程门阵列 h i g h p r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f s e i m i ce x p l o r a t i o nb a s e do nf p g a a b s t r c t t h ep a p e ra n a l y s e st h ec u r r e n ts t a t eo fh i g hp r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f s e i m i ce x p l o r a t i o na n di n v e s t i g a t e st h em e t h o da n dt h e o r yo fa do fd a t aa c q u i s i t i o n ， t h ed e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l eo ff p g at e c h n o l o g ya n ds o l u t i o na n da d v a n t a g eo f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h i s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a ti ti sf e a s i b l et ou s e2 4b i t a a d ca s s o c i a t e dw i t hf p g at or e a l i z eah i g hr e s o l u t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m o fs e i m i ce x p l o r a t i o n t h ep a p e rs t u d i e dt h ea d ，i n t e r f a c ec o n t r o l ，d a t at r a n s m i s s i o n w i t hs e r i a lp o r tb e f o r et h ee x p l o r a t i o ns e n s o ro rd e t e c t o ro fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m e s p e c i a l l ya c h i e v i n gi n t e r f a c ec o n t r o lw i t hf p g ab er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d i n d e t a i l i nt h i sp a r t ，t h ec o n t r o lm o d u l ei sa c c o m p l i s h e db yv h d la n dd i g i t a ll o g i c b l o c kl i k er o ma n df i f ob ei n t e g r a t e di n t oap i e c eo ff p g a a l lt h em o d u l e sa r e s i m u l a t e di nt h eq u a r t u si i6 0a n dh a v ea g o o de f f e c ta sa n t i c i p a t e d k e y w o r d s ：s e i s m i ce x p l o r a t i o n d a t aa c q u i s i t i o na d cf p g a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：伢念愿 学位论文作者签名；续江藉 二口口7 年，月f c 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：袭丑堵 加口7 年 ，月 f f 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的研究意义 地震勘探是寻找油气田最有效的物探方法之一。地震勘探工作重要的一环是 获取地震数据，其主要工作是从采集站将各检波器传来的模拟声波信号转换为数 字信号，再传输到主机系统，按一定格式保存为数据文件。最后由采集人员将其 带回地震勘探公司数据处理中心，由地震勘探信号处理软件对这些数据文件进行 分析处理，得到反映地下地质结构图的信息，以此判断地下是否含有石油或天然 气。 提高地震勘探数据的精度和质量已成为地震勘探在当前和今后的主要任务。 随着微电子技术的不断发展，地震勘探技术已经获得明显的改进，利用新的技术 实现高精度的地震勘探数据采集将给勘探工作带来质的飞跃。 随着f p g a 等可编程器件的速度和规模日益提高，它们集成度高、体积小、功 耗低、设计灵活等优势越来越明显，这样就为利用可编程器件实现数据采集开辟 了道路。 本课题提出了一个完整的系统级的高精度数据采集解决方案，采用f p g a 来控 制高精度的2 4 位模数转换器来完成勘探信号的模数转换，将大大缩小勘探采 集仪的体积和重量，并提高数据采集的精度和系统的可靠性，对我国今后高精度 地震数据采集技术的发展具有一定的参考价值和推动作用。 1 2 地震数据采集技术的演进及国内外发展概况 1 2 1 地震数据采集技术的演进 地震勘探是从检波器的数据采集开始的，纵观五六十年来地震勘探的发展 史，可以发现，现今地震勘探的技术进步，已从过去的先有理论，后有设备的模 式，演变为设备技术的进步促进理论的更新，要求用新的地质解释方法去解释所 采集的数据所反映的地下结构。检波器的每一次进步，都带来了地震资料解释方 法和相应应用软件的更新“1 。因此勘探数据的采集在地震勘探中占有重要地位。 总结地震勘探仪器的发展过程，可大致划分为五代，它们依次是：模拟光 成都理工大学硕士学位论文 点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字磁带地震仪、早期遥测地震仪、2 4 位遥测地震仪。从技术上说。1 ，经历了从模拟到数字，从电子管到晶体管、集成 电路、超大规模集成电路，从纸记录到模拟条式磁带记录、盒式数字磁带记录， 从仪器系统结构上的集中式系统到分布式遥测系统，从模拟信号的记录到二进制 数字定点记录、到1 4 位浮点数字记录、再到2 4 位定点记录的发展过程“。目前， 正处在第五代2 4 位高精度地震仪时代向第六代全数字遥测地震仪时代发展的过 渡阶段。这一时代的地震勘探仪器在技术上除了继承和发展了目前即将结束的第 五代2 4 位遥测地震仪的技术优势外，在技术特征上与以往各代地震仪器的重大区 别是使用了利用m e m s “( 微电子机械系统) 技术开发出来的新型数字地震传感器。 并且仪器系统结构又一次向下发生重大延拓，即地震道模拟电路部分和2 4 位a a d c 等电路从采集站中分离出来，进一步微化并与传感器集成在一起，构成了新 型数字地震传感器“1 。 1 2 2 国内外发展概况 近年来，地震勘探技术已经获得明显的改进，该技术在石油工业中的作用已 从勘探推广到油藏描述。地震勘探的发展趋势在于进一步改善地震方法对构造、 地层、岩性的检测本领和能力。地震勘探在当前和今后的主要任务是提高地震勘 探的精度和质量”1 。 世界经济的大动荡，正使世界油气公司面临新一轮大重组，不断采用新技术， 以寻找新的经济增长方式，这导致勘探装备的竞争”1 。如美国i 0 公司投入巨额 资金，经过十几年的研究，于1 9 9 9 年前后率先推出用于石油地震勘探的数字传感 器v e c t o r s e i s 三分量数字地震传感器，到2 0 0 2 年又推出了数字地震传感器的应用 平台主机系统。 微电子技术、数字信号处理技术的不断发展、2 4 位z a d c 的出现，为新型 地震仪器的诞生奠定了技术基础。如美国c r y s t a l 推出的c s 5 3 2 4 模数转换器芯片， 很快被i o 公司用于s y s t e mt w o 、v e c t o s e i s 遥测地震仪上。同样，法国s e r c e l 公司推出的s n - 3 8 8 、4 0 8 u l 仪器也采用了2 4 位精度仪器。加拿大g e o - x 公司也推出 了a r a m 一2 4 遥测地震仪器”1 。 我国在地震勘探仪器方面的研究与国外先进行水平相比还有不小差距，投入 的研究也不够多，主要是跟踪与应用国外技术。2 0 0 3 年4 月我国首次引进一套i o s y s t e m f o u r ( v r ) 无线遥测存储型地震数据采集系统，并在长庆地区投入使用， 2 第1 章引言 先后进行了仪器对比、二维施工和三维施工，获得了令人满意的地震资料。2 0 0 4 年8 月，又引进一套i os y s t e m f o u r ( v c ) 有线传输的全数字遥测地震仪，投入到 华北地区野外考核和大规模三维试验性生产，也取得了生产效率和资料质量方面 的突破和成功， 1 3 课题的研究思路 常规采集方案啪为： ( 1 ) 由单片机( 如5 1 ，1 9 6 等单片机或控制型d s p ) 直接控制的采集方案。这是 一种最简单最常用的控制方式。但是，由于每次采样都要有单片机的参与，占用 了单片机的时间，影响了其数据处理的能力。并且对于多通道、多个a d o 的控制， 当系统中要采集的信号量很多时( 特别是各种信号量、状态量) ，仅仅靠用普通 w c u ( 微控制器或单片机) 的资源往往难以完成任务。此时，一般只能采取多m c u 联机处理模式，或者依靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的采集任务。这样做 不但增加了大量的外部电路和系统成本，而且大大增加了系统的复杂性，因而系 统的可靠性就会受到一定的影响，这显然不是设计者所愿意看到的。 ( 2 ) 由d m a 控制的采集方案。此方案硬件电路复杂，若与单片机配合使用，需 要单片机具有总线挂起功能( h o l d 功能) ，否则还需要进行总线切换。在总线挂起 的时候，单片机就不能访问外部存储器和外部端口，如果单片机要访闯外部数据， 也只能等待总线的释放，这样就带来很多不方便，也影响了数据的及时处理。 显而易见，传统的设计思路不但要使用大量的外围芯片，而且需要主处理器 直接去控制各种采集模块和控制模块，并完成各模块和通道的自检。因此，这种 解决方案需要占用主处理器大量的i o 资源和处理时间然而，一般处理器的i o 资源极其有限，而且又要求大量的汇编软件配合，这就使设计移植变得比较困难； 此外，由于i o 的频繁操作也不利于系统调度软件的设计和其他软件模块的实时 执行，因而在现场更难以组成分布式控制管理系统。可见，如果采用传统的设计 方法，不但使系统设计较为庞大。而且开发成本高、设计周期长、设计效率低。 所以，传统的设计思路在远程多路数据采集系统中是不可取的。 随着微电子工艺水平的进步，f p g a 等可编程器件的速度和规模都有了很大的 提高，而且它们还具有集成度高、体积小、功耗低、设计灵活等优势，这样就为 利用可编程器件实现数据采集开辟了道路。目前新- - 代f p g a 等可编程器件，不仅 在速度上能满足高速数字信号处理的要求，而且可编程资源也大大增加，在系统 3 成都理工大学硕士学位论文 级集成方面也能满足需要，从而提高了系统的灵活性和适应性。因此，在开发周 期较短或对系统灵活性要求较高的情况下，f p g a 能够提供比专用高速数字信号处 理器件更高的系统速度和更好的解决方案。 利用f p g a 的i o 端口多，且具有自由编程支配、定义其功能的特点，再配以 v h d l 语言编写的f p g a 内部执行软件，就能很好地解决采集的信号路数多的问题。 因为用v h d l 语言编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，并且f p g a 硬件的速度是纳秒级的，这是当前任何m c u 都难以达到的速度，因此用f p g a 设计 的系统要比其它系统更能实时地、快速地监测信号量的变化。 1 4 课题的主要研究内容 本论文以整个系统数字电路的f f ，( i a 硬件接口设计及软件调试为主要研究对 象，在f p g a 当中完成了其与a d c 的接口与控制电路，数据缓存及串行传输接口 的设计，实现整个系统的功能。 论文的第一章首先所研究的意义，然后从地震勘探数据采集系统的演进和国 际国内的形势出发，说明了研制本系统的紧迫性和必要性。接着给出目前市场常 见的同类系统的研制发展情况，并与之对比得出设计本系统的实用性；然后根据 系统的设计要求，给出了本系统的整体结构框图。 第二章为高精度数据采集的理论基础和方法研究，通过对数据采集的概念、 a d 转换原理、a d c 器件原理及结构的深入研究，对高精度数据采集方法的论证 和探索，提出了采用高阶a 调制器改善信噪比、补偿高频信息等提高勘探采 集数据质量的有效措施。 第三章覆盖了系统中大部分接口设计问题。通过对系统硬件平台涉及的器件 a d c 、f p g a 及串口的结构、原理的深入研究，搭建了系统的硬件结构框图和部分 原理图，并设计了f p g a 的内部电路结构图，为第四章软件设计打下了基础。 第四章论述了v h d l 语言的设计流程及方法，介绍了软件开发平台，在此基 础上，利用q u a r t u si i6 0 开发工具对f p ( ；a 与a d c 的接口与控制模块做了详细的 设计，并采用v h d l 语言完成了底层模块的编写。 第五章是自底向上对各级模块的调试和时序仿真结果。软件仿真结果达到了 系统要求，进一步论证了系统的可行性。 4 第1 章引言 1 5 系统总体说明 本系统采用2 4 位的a d c 配合f p g a 来实现高精度地震勘探数据采集系统，对 探测传感器或检波器后端数据采集系统的信号 d 转换、f p ( ；a 与外部接口设计、 串口数据通信做了详细的研究，下面是系统的总体结构、主要参数指标及特点。 1 5 1 系统总体结构 系统结构框图如图卜1 所示： 1 5 2 系统技术指标 f p g a 图1 - 1 系统结构框图 无噪声分辨率：最大2 3 位 理论动态范围为1 3 8 d b 多个复用差分输入通道 7 5 h z 3 ，8 4 0 h z 可调 增益可选择，1 、2 、4 x 、8 、1 6 x 、3 2 。 校准后可选输入范围：一5 m y 5 v 1 5 3 系统的特点 厂 ip c 主机i ll i _ j 系统的特点概括如下： 1 利用a d c 实现数字系统。数字系统的优势不言而喻，p c 系统就是一个典 5 毒害量言 成都理工大学硕士学位论文 型的数字系统。但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是 数字信号。而地震勘探的信号是从传感器过来的模拟信号，要解决数字系统与模 拟信号源不能直接处理的矛盾，必须选用a d c 来完成这一转换工作。 2 采用f p g a 来做控制。如果采用单片机，其内部资源和执行效率有限，而 且要外置r o m 等存储器件，不满足系统的高集成度和高速要求。而f p g a 可在内 部集成r o m 、f i f o 等存储元件，且运行速度快。f p g a 内部集成锁相环，可以把外 部时钟倍频，核心频率可以到几百兆，比单片机运行速度快得多。f p g 的i o 资源丰富，可以很容易用不同i 0 连接各外设。这对后续的数据传输到p c 主机 带来了便利。 3 采用串口进行f p g a 与远程主机系统之间的数据传输。串口是计算机上一 种通用设备通信的协议，同时也是仪器仪表设备通用的通信协议：很多g p i b 兼 容的设备也带有r s 一2 3 2 口。而且串口通信的概念非常简单，串口按位( b i t ) 发 送和接收字节。尽管比按字节( b y t e ) 的并行通信慢，但是串口可以在使用一根 线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。而 对于串口而言，长度可达1 8 0 0 米。 6 第2 章高精度数据采集 第2 章高精度数据采集 随着地震勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震勘探数据采 集的精度和质量要求也越来越高，要求采集数据具有宽频、高保真、高信噪比、 高动态，以便更好地识别岩性、流体、裂缝油藏，改进油藏定位、储集特征、油 藏连通性的描述和提高采收率等。作为地震勘探最关键的一环的野外数据采集， 其采集数据的质量和精度直接关系到地质效果。 2 1 数据采集的基本概念 数据采集就是将被测对象的各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、生 物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、 传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。这里的控制器一 般指的是计算机系统。 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生 产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的 作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化量的形式出现的，例如温度、 压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续 的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。 它是计算机在监测，管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成 计算机能识别的数字信号，即 d ( 模拟数字) 转换，然后送入计算机，根据 不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计 算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据 还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 图2 - - 1 为数据采集系统的结构简图，直观地反映数据采集系统的工作内容。 现代数据采集系统具有如下主要特点： 图2 - 1 数据采集系统结构图 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等 大大提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要， 采集系统一般希望有尽可能快的速度，以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来 越小，稳定性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构 的发展起着重要作用。 2 2a d 转换原理 通过对数据采集系统概念的阐述，得知a d 转换是数据采集的主要任务和关 键步骤。a d 转换的好坏，直 接影响到数据采集的精度和 质量。 所谓a d 转换“”，就是将 采集传感器输出的模拟信号 转换成计算机能识别的数字 信号。在a d c 件中，因为输入 的模拟信号在时间上是连续 的而输出的数字信号是离散 的，所以转换只能在一系列选 定的瞬间对输入的模拟信号 取样，然后再把这些取样值转 换成输出的数字量。 瓤f 图2 - 2a d 转换的基本步骤 其过程可概括为4 个步骤：采样，保持，量化，编码。如图2 2 所示，首先 对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的 电压量化为数字量，然后编码，按照一定的编码格式给出转换结果。然后，再开 始下一次取样。 第2 章高精度数据采集 2 2 i 采样定理 采样过程所应遵循的规律，又称取样定理、抽样定理。采样定理说明采样频 率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。采样定理是1 9 2 8 年 由美国电信工程师h 奈奎斯特首先提出来的，因此称为奈奎斯特采样定理。1 9 3 3 年由苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理，因此在苏联文献 中称为科捷利尼科夫采样定理。1 9 4 8 年信息论的创始人c e 香农对这一定理加 以明确地说明并正式作为定理引用，因此在许多文献中又称为香农采样定理。采 样定理有许多表述形式，但最基本的表述方式是时域采样定理和频域采样定理。 采样定理在数字式遥测系统、时分制遥测系统、信息处理、数字通信和采样控制 理论等领域得到广泛的应用。 时域采样定理频带为f 的连续信号f ( t ) 可用一系列离散的采样值 f ( t 1 ) ，f ( t l a t ) ，f ( t l 2 a t ) ，来表示，只要这些采样点的时间间隔 at t 时，f ( t ) = o ，这里t = t 2 - t l 是信号的持续时间) ，若其频谱为f ( o ) ，则可在频 芦l 竿l 白- 虬孙 域上用一系列离散的采样值l1j来表示，只要这些采样点的频 ，土 率间隔。、2 7 。 2 2 2 量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就 是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行 d 转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。这个转化过程叫做 量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，用a 表示。显然，数字信号最低有效 位( l s b ) 的1 所代表的数量大小就等于。 9 成都理工大学硕士学位论文 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就 是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行 a d 转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。这个转化过程叫做 量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效 位( l s b ) 的l 所代表的数量大小就等于a 。 把量化的结果用代码( 可以是二进制，也可以是其他进制) 表示出来，称为 编码。这些代码就是a d 转换的结果。 既然模拟电压是连续的，那么它就比一定能被整除，因而量化过程不可避 免地会引入误差。这种误差称为量化误差。 2 3a d c 器件结构及原理 a d c ，即a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r 的缩写，指模数转换器或者模拟 数字转换器，也称作a d ( 模数) 转换器。真实世界的模拟信号，例如温度、 压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和传输的数字形式。因此 需要a d c 来实现这个功能。 对于地震勘探也一样，地震传感器得到的是模拟的声波信号，不利于存储处 理和传输，因此也需要通过a d c 将其数字化。探测信号的数字化对于勘探数据的 传输和保存及后期处理和地质结构的分析将带来效率及可靠性的提高。 2 3 1a d c 的主要技术参数 a d c 可通过内部的电路将模拟量转变为数字量，因此在工业控制、图像处理、 网络等应用中都大量用到a d c 。许多国内和国外的公司生产a d c ，用的最多有 c r y s t a l 、m a x i m 、n a t i o n a l 等公司的产品，根据不同的应用，可选择不同的产 品。a d c 主要涉及下面几个参数。 1 转换精度 由于模拟量是连速的，而数字量是离散的。所以，一般是某个范围的模拟量 对应于某一个数字量。这就是说，在a d 转换时，模拟量和数字量之间不是一一 对应的关系。 转换精度反映a d c 的实际输出接近理想输出的精度程度。a d 转换的精度常 用数字量的最低有效位( l s b ) 来表示。设数字量的最低有效位对应于模拟量a ， 称为数字量的最低有效位的当量。如果模拟量在2 范围内都产生相对应 1 0 第2 章高精度数据采集 的唯一的数字量，那么，这个a d c 的精度为0l s b 。 2 转换率 转换率是指用完成一次a d 转换所需要时间的倒数，所以转换率表明了转换 的速度。比如完成一次转换所需要的时间是l o o n s ，那么，转换率为1 0 m h z 。 3 分辨率 a d 转换的分辨率表明了能够分辨最小量化信号的能力。通常用位数来表示 t i e 的分辨率。对于一个实现n 位转换的a d c 来说，它能分辨的最小量化信号的 能力为2 n 位。比如，对一个1 2 位的a d c ，分辨率为2 1 2 = 2 0 4 8 位。 2 0 世纪9 0 年代以来，a 型a d c 获得了很大发展。a 型a d c 利用高抽样 率和数字信号处理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了 高精度的a d c ，目前可达2 4 位，主要应用于高精度数据采集，特别是数字音响 系统，多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 综合比较上述a d c ，a 型a d c 能满足地震勘探仪器的高精度要求，因此被 本系统采用。 2 3 2 a 型a d c 原理及结构 2 0 世纪9 0 年代以来，a 型a l e 获得了很大发展。a 型a l e 利用高抽样 率和数字信号处理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了 高精度的a d c ，目前可达2 4 位，主要应用于高精度数据采集，特别是数字音响 系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 a 型h i e 是一种通用、新型结构的高性能h i e 。与传统a 型h i e 的结构 和工作原理完全不同，它摒弃了传统的采样保持电路，代之以远高于n y q u i s t 频 率的采样频率f s 对经过处理之后的误差信号进行采样量化，输出的高速低比特 ( 通常是1b i t ) 粗糙的数字量，再经数字滤波器处理后，得到高分辨率、n y q u i s 采样率的数字量转换结果。其中的高速采样量化过程称为过采样，使用的相应单 元电路称为调制器；后续的数字滤波器又称为抽取滤波。a d 量化的并非是 整个子样电压的大小，而是在前一子样 d 量化结果的基础上加l 或减1 ，也即 将相邻子样的差值转换为1 位代码，即ib i t 量化。应该说，1b i t 量化所产生 的量化误差是很大的，但当采样频率足够高时，量化结果经d a 变换后反馈到模 拟加法器与后续的输入信号做差，这样误差信号就比较小了。a 型a d c 中的数 字抽取滤波器有如下三方面的作用： ( 1 ) 计算过采样的离散点值。这一过程相当于累加，之后再进行微分运算， l l 成都理工大学硕士学位论文 输出是2 4 位高速数据流； ( 2 ) 按重采样频率的要求进行数字去假频滤波运算； ( 3 ) 数据抽取。在数字去假频滤波器之前有两次抽取，其数据速率下降，之 后再低速采样进行数字去假频滤波，最后进行上抽取，使得输出低速采样的离散 信号。 为了提高a 型a d c 系统信噪比，应该使用a 型a d c 高阶系统和低过采样 频率，这样较低的过采样频率，使系统的非量化噪声降低，积分器阶次的提高又 降低了量化噪声，因此可以获得很高的精度和信噪比。 2 4 提高数据采集精度的方法研究 在目前技术下，地震勘探检波器精度最高为2 4 位。一般地，检波器位数越多， 精度越高，但检波器的位数总是有限的。下面的数据研究表明，进一步通过提高位 数来达到改善数据精度的努力收效有限，改善地震勘探精度还应从多方面考虑。 2 4 1 d c 量化噪声对量化级数的影响 传感器的输出信号幅度一般较小，传统数字地震采集仪采用瞬时浮点放大器 ( i f p ) 与普通a i ) c 配合，提高了仪器的动态范围，它的理论动态范围可达1 6 8 d b ， 但由于i f p 主要由复杂的模拟电路构成，电路本身噪声的影响使之与1 5 位a d c 配合后的动态范围低于l l o d b ，再加上传统地震采集仪在体系结构、多通道、智 能化等方面不足，难以满足高分辨率地震勘探的要求。因此，9 0 年代末研制出 新一代高分辨率数字地震仪“”，其地震反射信号的频率范围可达3 2 5 0 h z ，幅 值动态范围为1 2 0 d b “”。 设a d c 转换结果的误差为，则 = 。q + e ( 2 - 1 ) ( 2 1 ) 式中，8q 为量化产生的误差；e 为电路本身因素所造成的误差，a d c 的相对误差6 为 旦堕：五十鑫 6 = 2 “ ( 2 - 2 ) 式中：2 n 为a i ) c 的满标值， 。q = q 2 ，因此， j l 5 q = 2 “ ( 2 2 ) 若a d c 的量化电平为q ，a d c 位数为n ，则 1 2 ( 2 - 3 ) 第2 章高精度数据采集 由式( 2 - 3 ) 可以看出，当n 达到一定值时，8 q 将小于8e ，此时，再增大n 已经没有实际意义。实际上，当a d o 的分辨率要求在1 8 位以上时，对于积分型、 逐次逼近型和直接比较型 d c 的电路结构本身的噪声影响已经很难克服“”。 对于量化电平为q 的n 位传统a d c ，若假定量化噪声为白噪声，则量化噪声在 p f l , + q 2 量化单位所划分的量化电平内符合正态分布，量化噪声功率的方差为“”： 9 2 o2 e = 一1 2 ( 2 - 4 ) 由于量化噪声均匀地散布于整个采样频段f s 范围内，因此量化噪声的功率 谱可以表示为 q 2 n ( f ) = 面 ( 2 5 ) 分布在基带f b 内的量化噪声功率为“们 似。：c 硝= 警告6 ，n b ( f ) = 一扣( 2 6 ) 由式( 2 - 6 ) 可见，当a d o 的量化单位q 确定之后，基带频率越宽，量化噪声 功率越大，采样频率越高，量化噪声功率越小。因此，利用过采样技术可得到高 分辨率的a d 转换结果。图2 - 3 表明了采样频率的大小对a d c 量化噪声的影响。 由图可以看出，提高采样频率可以降低带内噪声功率。 工( 力 0氏| ( - ) 信号# ( i ) 的频谱 x ( d 0k f 以( ，) 0f i f f ( b ) 较低采样颏率，s 产生较大带内噪声 如( i ) 0 氏l ( c ) 数字低通滤波器频谱( d ) 较高采样顿事产生较小带内曝宵 图2 3 采样频率对量化噪声的影响 成都理工大学硕士学位论文 2 4 2 过采样对a d c 量化噪声的影响 对于传统的n 位a d c ，对应的满量程输出的最大振幅h m a x = 2 n ( q 2 ) 时，输入 数字正弦波信号的功率p s 为： 1 ，2 ”g 、2 p s = i f ( 2 - 7 ) 将( 2 1 2 ) 与( 2 - 11 ) 之比取对数乘l o ，可获得的a d c 的最大信噪比s n r m a x 为： lr 2 q 、2 嚣圳- 嘴措 s n r m a x = 1 0 1 0 9 f s1 2 = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 o l g k ( 2 - 8 ) 式中：k _ f s 2 f b 称为过采样比。由式( 2 - 8 ) 可见，a d c 的量化位数每增加1 位， 信噪比增加约6 d b ；采样频率每增大2 倍，信噪比增加3 d b ，相当于增加了0 5 位的分辨率，同时，采用过采样技术可以降低对去假频滤波器的要求“。然而， 如果仅仅从过采样的角度出发，为了从1 位转换器中得到1 6 位的转换器的信噪 比，则要求转换器的带宽是基带的2 3 0 倍，这显然在电路实现上是不现实的，因 此，需要考虑采用其它的解决办法“”。 2 4 3 误差与非线性及漂移的影响 除了编码位数影响a d c 精度，降低地震勘探分辨率外，还有一些因素影响 a d c 的精度，这些不是仅能通过提高a d c 位数来解决的，如误差和非线性。误差 包括偏移误差和增益误差，非线性包括整数非线性( i n l ) 和差动非线性( d n l ) 。 偏移误差是指对a d c 采用零伏差动输入时，实际代码与理想代码之间的差 异。 增益误差是指从负满量程转为正满量程输入时，实际斜率与理想斜率之差。 偏移和增益误差通常是a d c 中主要的误差源。 整数非线性指输出代码与理想输出之间差异的大小。在满量程端点 ( f u l l 一s c a l ee n d p o i n t ) 处取一理想线，一般来说，经测量得到的i n l 便是这一 理想线的最大偏差。 差动非线性指代码值如何随模拟输入的变化而变化。就模拟输入电压的变化 情况而言，代码可能增加、不变或减少。根据模拟输入增量的多少，代码应该保 1 4 第2 章高精度数据采集 持不变或者增加。如果出现这种情况，那么a d c 就是单调性的。如果a d c 跳过一 个输出代码，那么此代码称之为缺失代码。如果代码输出减少，则a i ) c 为非单调 性。如果分配正常而无缺失码，表明代码宽度一致。 漂移是指在给定输入的情况下输出代码随时间或温度的变化而进行的变化。 如果我们采用固定的模拟电压，然后给设备加热或去热，输出代码就会随着温度 而进行偏移。根据设备特性的不同，在给定的抽样中漂移可能向相同方向发展， 也可能呈随机性。 解决上述问题，可以通过噪声整形技术来控制厶z 架构中的量化误差，通过 校准来最小化偏移和增益误差，采用线性化来改善i n l ，而d n l 通常可忽略，噪 声可最小化，漂移则可纠正，其影响也可以估计。 2 4 4 噪声对分辨率影响与计算 噪声表现为随时间变化的随机输出代码，与偏移、增益和线性误差无关。即 便已经很好地校正了a d c 的所有其他误差来源，仍会发现由于噪音的缘故出现输 出代码变化。 电子电路中有许多噪声源：热噪声、1 f 闪烁噪声和突发噪声。在最小化噪 声方面，噪声类型非常重要。热噪声从本质上说是高斯型的，因此可采用特定技 术来最小化其影响。闪烁噪声和突发噪声从本质上说是非高斯型的，因此这种噪 声源较难处理。 噪声对分辨率的影响很大，噪声和分辨率相互关联。 噪声可定义为输出代码与理想代码间的随机偏差。通常噪声可用伏特、位数、 数量值或百万分之一( p p m ) 来表示，而分辨率单位通常为位数或d b 。 如用p 表示分辨率，当用1 3 位数来表示分辨率时，可定义为： p = nb i t s( 2 曲) 对于理想的2 4 位a d c ，如果在最大幅值为5 v 的模拟输入范围时，有2 4 位 输出，称其分辨率为2 4 位。 如果用d b 来反映分辨率，则n 位数的分辨率可定义为： p = 2 0 1 0 9 2 n = 6 0 2 x nd b ( 2 - 1 0 ) 当位数为2 4 位时，代入( 2 - 9 ) 式，可得分辨率为1 4 4 5 d b 。通常称这种定义 为信噪比，因为它实际上是( 2 8 ) 式中与位数有关的部分。 如果用计数值来表示噪声，那么分辨率就是： 成都理工大学硕士学位论文 p = 2 ”“( 伏特)( 2 1 2 ) 上x 1 0 6 p p m 上1 0 6 p p m ! 1 0 6 p p m n = l 0 9 2 - - - - 2 1 3 位 掣- t , p p u ) 矗引一0 6 ，1 删= 丢= l o “3 “ 1 0 l ”j ( 2 1 5 ) 如果想迸一步提高a d c 位数来达到提高分辨率的目的，那么噪声可能会超过 应采用1 7 3 6 个采样来实现0 0 6 p p m 的噪声，这时的数据速率为2 4 h z 。进一步分 1 6 第2 章高精度数据采集 析方差显示，采样大于1 2 0 0 0 没有任何好处。对超过1 2 0 0 0 次的采样进行平均， 实际上反而会降低噪声性能，因为系统漂移会造成不稳定嘲。 提高地震勘探数据的分辨率，除了从检波器的位数上想法外，还可通过直接 对已获取的数据进行数字信号处理的方法来改进。如采用生成c m p 道集域的超级 道集，并对“叠前数据”作多次波压制。生成超级道集的好处有两方面：一是生 成超级道集后，提供了更好识别嗓音和有效波的进一步信息，使有效波更易识别 并更具相干性，而只要噪声更好识别，它便可以有效地被压制，同时由于有效反 射层的相干性和叠前数据中相应反射层的有效波变得较易识别；二是由于相干性 和有效波同相轴的形状变得更好识别，从而可由叠前数据获得更好的速度计算阱1 。 2 5 提高地震勘探数据分辨率的措施 地震勘探分辨率的提高，不仅直接与a d c 本身有直接关系，还与对数据的处 理方法有关，通过综合的数据处理，可以从整体上提高对地震勘探数据的质量， 达到在不同要求中对高分辨率的需要。因此在数字检波器中，实际上还包涵有 d s p 电路进行数字信号的滤波、均衡、控制等其它电路。 2 5 1 高阶a 调制器信噪比的改善 1 9 6 1 年由日本的猪激等人提出a 调制器“”( 或az a d c ) ，针对a a d c 存 在的直流信号和高频信号的调制问题，可 通过在a a d c 输入端增加一个积分器， 在解调器里增加一个微分器，使对直流信 一 图2 4 一阶za 调制器的线性等效模型 号和高频信号的调制上都得到改善。a d c 的主要组件是调制器和滤波器。调制器 作为反馈环路工作，其目标是将差动信号误差减小为零。通过微差测量模拟输入 信号和反馈d a c 信号来实现这一目的。a 架构中的a ( d e l t a ) 因此得名。上述 二者之差或信号误差结合或合计到下一级，a 架构中的z 由此而来。将总误差 与参照信号相比较，从而相应地设置比较器的输出。如果误差项为正值，则反馈 d a c 输出升高，以尝试减小差动误差项。如果误差项为负值，反馈d a c 输出则降 低，以尝试减小差动误差项。比较器1 和0 的密度与模拟输入电压成正比。 在a a d c 中，i 位量化器前使用的积分器称为环路滤波器，环路滤波器的 阶数( 积分器的个数) 称为调制器的阶数。一阶a d c 的线性等效模型框图见图 成都理工大学硕士学位论文 2 - 4 所示，由图可得： y ( z ) = x ( z ) 一z - i y ( z ) ( 1 一z 一1 ) 一1 + q ( z ) 整理可得： y ( z ) = x ( z ) + ( 1 - z - 1 ) q ( z ) 式中：q ( z ) 为量化噪声分 量。使用一阶a o c ，通过增 大过取样频率可以把量化噪声 驱向更高频段，由此可以进一步 减少基带内的噪声，但取样频率 受到器件工作频率和后续数字 滤波器性能的制约，仅使用一阶 a a d c 难以获得9 6 d b ( 1 6 位) 以上的信噪比。因此在经典的 z a d c 的基础上，发展了各种各 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 四阶 7 = 陆z t一夕。 杉 ， 二坠一 钐 ，一， 二，一 k 图2 - 5 不同阶数的1 位调制器的信噪比与过采样比关系 样的高阶ae a d c 、级联az a d c 和多位高阶az a d c ”1 ”。根据文献m 1 ，l 阶 a a d c 的信噪比为： s n r = i o ( 2 l + 1 ) 1 0 9 k + 1 0 l o g ( 2 l + 1 ) + 6 1 0 l ( 2 - 1 8 ) 取l = i 、2 、3 、4 、5 ，绘出信噪比与信号频率的关系曲线如图2 5 。由式( 2 一1 8 ) 可以得出，采用高阶ae a d c 技术可以降低采样率，例如，若要从1 位量化器获 得9 6 d b 的信噪比，对于2 0 h z 2 0 k h z 带宽的信号来说，如果仅用过采样技术， 需要的采样频率为4 3 t h z ，如果采用四阶az a d c 而要获得相同的效果时，需要 的采样频率f s 为4 0 0 k h z 。 2 5 2 高频信息补偿措施 野外数据采集过程中，由于地层对地震波高频成分的吸收衰减，降低了地震 勘探分辨率。通过合理地进行频谱均衡滤波，可在一定频率范围内对高频信息提 升，提高地震勘探的分辨率。 根据文献啪1 可以推导出在均匀介质中传播的平面波振幅方程为： 兰坐 o ，2 j a = a o d ( t ) p ( 2 - 1 9 ) 式中：a o 为初始振幅：。( t ) 为波动函数，f 为地震波频率，