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_A_D转换技术及在地震勘探中的应用

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第 1 9 卷   第 2 期 地  球  物  理  学  进  展 19   6 月(300 ~ 303) N   2004Δ-΢A/  李婷婷(大庆石油学院 , 大庆 163318)摘 要   Δ 调制型 A/ D 转换技术是 Δ-΢A/ D 转换技术的基础 调制型 A/ D 转换器的基本原理 , 对信噪比和 Δ-΢A/ D 转换器的噪声成形作用进行了分析与推导 , 深入探讨了 Δ -΢A/ D 阶次 、信噪比及采样率之间的关系 , 并由此得出结论 :当代遥测地震仪采用 24 位四阶 Δ-΢A/ D 转换器是高分辨率地震勘探精度的基本要求(瞬时动态范围或信噪比为 120 关键词  A/ D 转换器 , Δ 调制采样率 , 过采样 , 信噪比 , 噪声成形中图分类号     文献标识码  A      文章编号  1004004)02-΢A/D in   63318 , -΢A/ D on , -΢A/ D in -΢A/ D it is to 4 -΢A/ D in or 20 ;Δ 国产)和 - (美国产)为典作者简介  袁子龙 , 男 , 1961 年生 , 黑龙江省肇源人 , 1994 年 4 月硕士毕业 , 副教授 , 现主要从事高分辨率地震数据采集方面的研究   言高分辨率地震勘探要求地震信号的动态范围高达 120 这就要求数据采集系统 A/ D 转换器不低于 20 位 , 这在传统数据采集系统中是无法实现的 之后再对多路串行的离散样电压(子样电压)进行 A/ D 量化 , A/ D 转换器位数越多 , 每个子样电压的量化时间越长 , 要求采样率就越低 , 致使更高频率的地震信号得不到记录 , 这是无法满足高分辨率地震勘探需要的 , 需要由模拟电路产生众多的一系列标准权电压 , 用它们逐个与子样电压进行比较 , 靠模拟电路来保证这些权电压的精度是很难做到的 -΢A/ D 转换技术的应用而得到解决 2003 修回日期  2003基金项目  黑龙江省自然科学基金项目(2010222) 资助 000 型代表的当代遥测地震仪 , 在高分辨率地震勘探野外数据采集工作中发挥着重要的主导作用 , 它们的技术关键都是在野外采集站中设置了 24 位 Δ΢A/ D 转换器 -΢A/ D 转换器基本原理及在地震勘探中的应用对地球物理工程技术人员是十分重要的 -΢A/D 基本理论1 Δ 调制型 A/ D 转换技术Δ 调制型 A/ D 转换技术是 Δ-΢A/ D 转换技术的基础 , 与传统 A/D 转换技术截然不同 , Δ 调制型 A/ D 转换器工作的基本动作仅仅是将信号相邻离散点的差值(Δ)转换为 1 位二进制代码 (0 或 1)[ 1] , 也即现时子样电压 A/ D 转换的结果仅由前一2 期 Δ-΢A/ D 转换技术及在地震勘探中的应用 301子样(已被转换成数字量) 末位加 1 或减 1 而成 2  过采样技术由 Δ 调制型 A/D 转换技术可知 , 信号相邻离散点的差值必须足够小 , 否则对其进行 1 位量化将带来较大的误差 并称此为过采样 , 采样定理要求在一个信号周期之内 , 离散点数应多于两个 一个信号周期之内应有成百上千个离散点  Δ 调制型 A/ D 原理示意1   , x(t )是输入的连续模拟电压信号 , y(t )是输出的数字量 , y (t )经 D/A 转换后输出一个模拟电压 xp(t), 它代表了前一个离散点值 , 由过采样保证 t)与 x (t )相差甚小 .当 x (t ) t )>0 时 , e(t )>0 , D 触发器输出 Q =1 , 累加器加 1 ;当 x (t) t )<0 时 , e(t)<0 , D 触发器输出 Q =0 , 累加器减 1 xp(t)是一个阶梯电压 , 其横向阶梯为过采样间隔 (Δt = 1 ), 纵向阶梯为一很小的电压量 Δ, 整个 A/ D 量化程就是用阶梯电压 x p(t)跟踪连续模拟电压 x(t )的过程 . 在数学上 , 对微小量的累加就是积分 , 所以图 1 中的累加器就是积分器 xp(t)可以由模拟积分器对具有一定大小的正负电压积分获得 , 由此得到 Δ 调制型 A/ D 组成框图如图 2 3  数字滤波技术数字滤波器的主要功能是对高速数据流进行数字去假频滤波和数据抽取 使得在一个信号周期内具有成百上千个离散点值 , 所以需要按正常采样频率 数据进行抽取(重采样), 不过在重采样之前必须先进行数字去假频滤波 , 以防止在重采样时引入假频干扰(或称混迭干扰)  Δ 调制型 A/ D 组成框图2    Δ 调制型 A/ D 信噪比分析设基带信号频率范围为 0 ~ 量化阶梯为 Δ 的线性 A/D , 在 0 ~ 范围内 , 量化噪声功率具有白噪声特征 , 信号基带内噪声功率为Δ2 . (1)3 调制型 A/ D 斜率过载失真可以确定信号的最大不失真电压 , 当信号的斜率大于阶梯信号的斜率时 , 阶梯信号 xp(t)将跟不上信号 x(t)的变化 , 输出 y(t)将严重偏离 x (t), 此时出现斜率过载失真 即 x (t)= πf φ),则很容易推出不产生斜率过载的最大不失真电压为Δ . (2) π 2 表示为S 10 0s 18 (3) 由(3)式可知 , 信号频率越高 , 信噪比越低 , 频率每提高一个倍频程 , 信噪比就会下降 9 过采样频率越高 , 信噪比越大 测地震仪的过采样频率 F s =320 ×103 1 样时 ,400 计算出的信噪比为 70 这一指标是非常低的 , 其分辨率还不足 12 位 5  Δ-΢A/D 组成及其噪声成形作用Δ 调制型 A/ D 存在两方面缺点和不足 [ 2] , 首先当输入为一变化速率过快的交流信号时 , 产生斜率过载失真 ;其次当输入为直流信号时 , Δ 调制型A/D 输出为一交流信号 , 二者严重不符 然后再对输出进行微分 , 将两个积分器合并为一个放在输图 3  Δ-΢A/ D 组成3  -΢A/ 在输出端积分和微分可抵消 , 得到 Δ-΢A/ D 组成框图如图 3 所示 , 输出表示为Y (j ω)= G X (j ω)+ j ω Q(j ω) . (4) j ω+G j ω+ 为积分器增益 , Q(j ω)为量化噪声 )式可以看出 , Δ-΢A/ D 对信号而言相当于低通滤波器 , 基带以内信号顺利通过 , 基带以外的高频信号得到抑制 ;Δ-΢A/ D 对量化噪声而言相当于高通滤波器 , 基带以内的噪声得到抑制 , 从而有效地提高了基带信号的信噪比 [ 3]R =300 (5)2)式与 (3)式相比较可知 , Δ-΢A/ D 比 Δ 调制型A/ D 的信噪比提高了 9 302 地  球  物  理  学  进  展 19 卷122 高阶 Δ-΢A/-΢A/ D 系统信噪比有两种方案 :一是低阶系统和高过采样频率 ;二是高阶系统和低过采样频率 太高的过采样频率会使电路的内部热噪声和其它噪声远大于系统的量化噪声 , 而系统只能对量化噪声进行成形滤波 , 此时系统的输出信噪比 、精度和性能均下降 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 -΢A/D 涉及较深的信号与系统方面的理论 [ 4] , 大体可以分为巴特沃斯和逆切比雪夫两种类型 是简单的二阶巴特沃斯Δ-΢A/D[ 5] , 它的输出可表示为j ω)= ω2 j ωX(j ω)+ω2ω2 j ωQ(j ω) . (6)图 4 二阶 Δ-΢A/ D 组成4  th -΢A/ )式可以清楚看出 , 二阶 Δ-΢A/D 对信号而言相当于二阶低通滤波器 , 对量化噪声而言则相当于二阶高通滤波器 , 在信号基带范围内可以进一步提高信噪比 -΢A/ D 信噪比可表示为 [ 3]R =507 (7)2f 3], L 阶 Δ-΢A/ D 的信噪比为R =10(2L +1)2L +1)+6 (8)   在当代 24 位遥测地震仪中 , 过采样频率达到几百千赫兹 , 以法国产 测地震仪为例 (320 并且分别取 L =3 、L =4 和 L =5 , 得到信噪比为160 ×103)=7015 103S )=9024 (9))=11060 ×103 6f )、式(7) 和式(9)绘出信噪比与信号频率的关系曲线如图 5 20 能够满足这一要求的最高频率分别为 17610 1 855 3 968 6 423 当采样率分别是 0 0 .5 1 .0 2 .0 , 信号的最高频率成分分别为 1 600 800 400 200 能够满足信噪比在 120 上的模数转换器分别是三阶 、四阶和五阶 Δ-΢A/ D , 考虑到仪器整体系统的信噪比( 瞬时动态范围)要小于 Δ-΢A/ D 的量化信噪比 , 所以要求量化信噪比要比 120 得多 , 将 1 600 入(9)式计算 出 信 噪 比 分 别 是124 .5 157 186 由此可见选择四图 5  信噪比与信号频率关系曲线图5  NR -΢A/ D 基本能够满足地震勘探的需要 测地震仪 , 前置放大器增益分别为 0 12 24 , 等效输入噪声分别为 1 V 、400 200 折算到模数转换器中的噪声分别为 1 V 、1 V 和 3 V , 量化阶梯电压Δ=0 V ,24 位(一位符号)A/ D 的满标电压为(2 23 0 1 106 μV ,系统信噪比(瞬时动态范围) 分别为 120 120 114 由此可见 测地震仪采用四阶 24 位 Δ-΢A/D 转换技术 , 基本满足了高分辨率地震勘探对瞬时动态范围与信噪比的需要 . 3 结 论3 Δ-΢A/ D 转换技术在地震勘探中的应用 , 使得地震数据采集系统即能有一个更多位数(高达 24 位)的模数转换器 , 又能记录更高频率成分(高达1 600 地震信号 , 从而保证了地震数据采集系统在较宽的频率范围内有一个大的瞬时动态范围(高达 120 3 高阶 Δ-΢A/D 转换技术是实现更高系统信噪比(瞬时动态范围) 的技术基础 , 要想获得 120瞬时动态范围与信噪比 , 需要采用四阶以上(含四阶)的 Δ-΢A/D 转换器 , A/ D 有效位数要大于 20 ,测地震仪采用的是 24 位(1 位符号)四阶Δ-΢A/ D 转换器 3  由于采用过采样技术 , 使得模拟地震信号中不会含有不满足采样定理的高频成分 , 所以在数据采集系统中不再设置模拟去假频滤波器 -΢A/ D 直接接收连续模拟信号 , 输出数字信号 , 因此自然就取消了瞬时浮点放大器 , 使得数据采集系统的模拟电路大大减少 , 从而降低了电路噪声 , 提高了信号的保真度 考  文  献 ([ 1]  邹家禄 , 骆立俊 ΢ 调制技术[ J] 1994 ,(11):32 ~ 38 .[ 2]  曹广华 , 袁子龙 . 高分辨率地震仪模数转换器的噪声整形[ J] 2002(1):8 ~ 12 .[ 3]  柴书常 [ J] 2000(6):4 ~ 8 .[ 4]  骆立俊 , 邹家禄 8的分析[ J] . 电声技术 , 1996(4):22 ~ 27 .[ 5]  张亮 , 孟庆昌 , 华正权 模数转换器基本原理及应用[ J] 1997(3):50 ~ 52 Δ-΢A/ D 转换技术及在地震勘探中的应用 303Δ 转换技术及在地震勘探中的应用袁子龙 李婷婷 【摘要】: Δ 调制型 A/D 转换技术是 Δ 调制型 A/D 转换器的基本原理,对信噪比和 Δ 转换器的噪声成形作用进行了分析与推导,深入探讨了 Δ 阶次、信噪比及采样率之间的关系,并由此得出结论:当代遥测地震仪采用 24 位四阶 Δ 转换器是高分辨率地震勘探精度的基本要求(瞬时动态范围或信噪比为 120【作者单位】: 大庆石油学院 大庆石油学院 【关键词】: A/D 转换器 Δ 调制采样率 过采样 信噪比 噪声成形 【基金】: 黑龙江省自然科学基金项目(2010222)资助. 【分类号】:文快照】: 0 引 言高分辨率地震勘探要求地震信号的动态范围高达 120就要求数据采集系统 A/D 转换器不低于 20 位,后再对多路串行的离散样电压(子样电压) 进行 A/D 量化,A/D 转换器位数越多,每个子
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