浅谈地震勘探网格数据采集系统的可编程增益仪表放大器

本白皮书介绍了用于大型地震勘探网格的低功耗，高精度，自测试数据采集系统。它简要介绍了地震勘探以及在数据采集系统中使用的组件。

天然气和石油的地震勘探包括在陆地勘探情况下使用炸药爆炸或振动的ump击卡车产生地震波，在海洋勘探情况下使用气枪产生地震波；并获取来自地球岩石层的反射波，以绘制地下结构图。1980年代的早期地震数据采集系统使用了具有自动增益控制（AGC）的瞬时“浮点”放大器以及12至16位逐次逼近式模数转换器。但是，这些早期系统的动态范围限制为大约70db。此外，由于实时数据收集的限制，系统中的最大通道数少于480。在1980年代后期，频道数量增加到最多8000个频道，

随着90年代初引入delta sigma转换器，数据采集分辨率从16位急剧增加到24位，从而产生120dB的动态范围。通过解决以前看不见的地下结构，增加的动态范围大大改善了图像质量。

地震数据采集系统

数据采集​​通道如图1所示。差分传感器（分别用于陆地和海洋勘探的地震检波器或水听器传感器）通过可编程增益仪表放大器（PGIA）连接到∆Σ调制器，并在其中进行模数转换。调制器的1位输出连接到多功能滤波器，在该滤波器中，对过采样的∆Σ数据进行抽取，并以编程的输出速率将其滤波为24位输出采样。这些输出样本被缓冲到一个8位深的数据FIFO中，然后传递给系统遥测系统。通过将滤波器模块中的测试位流（TBS）生成器连接到测试DAC，可以执行系统的自测试。模拟测试将来自测试DAC的差分信号驱动到PGIA的多路复用输入中，或直接送到差分传感器。

地震单节点数据采集系统

可编程增益仪表放大器（PGIA）

来自传感器的信号强度随其相对于信号源的距离而变化。通过使用PGIA放大接收信号来利用ADC的满量程。图2说明了该PGIA的内部结构。增益设置为二进制加权值，范围是1X到64X。PGIA中的每个放大器均经过斩波稳定，以消除失调电压并消除1 / f噪声的影响。从0.1到2000 Hz，该放大器的输入参考噪声为8.5 nV /√Hz。

PGIA的框图表示

该放大器的开环增益和相位图如图3所示。曲线A显示了一个主极放大器的增益和相位图，而曲线B则是一个多径前馈补偿放大器。这清楚地表明了多径前馈补偿放大器的单位增益带宽的减少，从而节省了功率。

（A）主极放大器和（B）多径前馈补偿放大器的增益和相位图

仪表放大器专为地震应用而设计。输入MUX可以选择输入A作为主信号流；输入MUX可以选择输入A作为主信号流。输入B用于通道校准; 和内部终端（800Ω）来确定通道的噪声性能。配套放大器，具有类似的功率和噪声规格，但没有斩波器稳定功能，无法连接到高阻抗水听器。该放大器的1 / f转角约为10 Hz。

Delta Sigma调制器（ADC）

此设计中使用了如图4所示的四阶单比特增量sigma调制器。第一积分器和反馈DAC主要决定ADC的性能。因此，在第一积分器中利用了该调制器的大部分功率预算，以最大化线性度并最小化噪声。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/精细电荷采样方案用于减少由非线性输入电流引起的失真。所有模块均使用全差分电路，以减少噪声拾取并最大程度地提高线性度。

一位四阶ΔΣ调制器

抽取滤波器

抽取滤波器芯片框图

抽取滤波器中的滤波器块

如前所述，利用低功耗信号处理架构的多功能功能可对来自单个ΔΣ调制器的数据进行有效的滤波和抽取。如图5所示，该滤波器芯片包括集成的外围设备，以简化系统设计。一个用于标准时钟或曼彻斯特输入，偏移和增益校准与校正的低抖动PLL，一个测试DAC位流发生器，一个时断控制器和八个通用I / O引脚。数字滤波器的内部结构如图6所示。FIR和IIR滤波器的数字滤波器系数包含在芯片上，用于样品设置，也可以针对定制应用进行编程。

编辑：hfy