差分式地震检波器测试仪的失真度测试研究
2017-06-23李建良王亚伟苏晓剑李淑清
李建良，王亚伟，苏晓剑，李淑清
(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)
差分式地震检波器测试仪的失真度测试研究
李建良，王亚伟，苏晓剑，李淑清
(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)
失真度作为地震检波器的一项重要参数，其测试方法直接决定测试结果的精确度。现有检波器测试仪在失真度测试过程中受电路本身产生的噪声干扰较大，测试精度不能满足高精度地震检波器的测试要求。采用差分输入法进行失真度参数的测试，差分信号由高性能数模转换芯片内部的正弦信号发生器产生。信号处理部分采用二阶有源低通滤波器，使截止频率限定在100 Hz，实现低通效果。通过全差分的设计方式，减小了电路中的共模干扰，使通过地震检波器的正弦信号极大限度地接近标准正弦信号。信号采集部分选用24位模数转换芯片，达到高采集精度测试的要求。试验结果表明，失真度测试系统满足地震检波器测试仪器误差标准，精确度达到10-5数量级。全差分方法设计的测试电路在一定程度上提高了测试精度；同时，高性能芯片的选取对系统的测试结果也具有重要作用。
地震; 检波器; 失真度； 正弦信号； 低通滤波器； 差分； 高精度； 检测； 电路
0 引言
失真度是地震检波器中决定反馈电信号准确性的关键指标，失真度越低，地震检波器越能最大程度地反映地质信息[1]。测试仪在实际测量中，需要综合考虑被测信号的频率范围、失真度的大小和测量环境的需求等因素，因此测量方法的选取就显得极为重要[2-4]。由于硬件装置内部或外部噪声等引入的干扰较大，使得很多测试仪的失真度指标都不能达到测试要求[5]。本文提出了一种基于差分方法的地震检波器失真度测试系统，实现了高精度测试。
1 失真度的产生及测量方法
1.1 失真信号的产生
检波器内部弹簧系统及各项电气参数，决定了其特性不能单纯地用胡克定律来描述[6]。由楞次定律可知，当检波器随地面运动时，运动系统具有非线性运动特性，导致输出的正弦交流信号除基波频率外，还掺杂有二次以上谐波及高频成分；弹簧在相对运动过程中也会存在其他形式的振动，这个振动会导致四次谐波以下的非谐波失真[7～8]。
1.2 失真度测量方法
失真度(d)定义为：检波器输出中谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比的百分数(%)。
(1)
式中：Einms为i次谐波分量的有效值；Eorms为基波分量的有效值；N为基波分量的总次数。
其测量方法是:给地震检波器两端通入一高纯度正弦波，采集检波器两极正弦波信号，对其进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)。FFT的计算结果是一组对称的复数数组，利用这些对称的数组可以找出直流分量、基波以及N次谐波分量；将该结果转换为有效值，根据式(1)求出失真度[9]。
2 信号源设计
本设计是基于差分方法的失真度测试系统，测试采用DAC1282提供的标准正弦波信号，ADS1282负责数据的采样，采用二阶对称滤波网络滤除电路中的噪声，参考电压为双极性±2.5 V，完成失真度测试系统的全差分电路设计。MCU采用TI公司生产的MSP430F5438a单片机，可通过其内部Flash对数据进行擦写、存储并完成大数据量的上传，交由上位机通过快速傅里叶算法处理和计算，完成失真度参数测试系统设计。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
2.1 DAC1282电路设计
DAC1282是一款具有全差分双通道输出、低失真的全集成数模转换器，可用于测震设备的测试。其内部由数字信号发生器合成电压信号，并输出高精度的正弦波，且正弦波频率在0.488～250 Hz范围内可分为14个频率范围调节；幅值由数字增益和模拟增益共同决定。其中，模拟增益的设置与ADS1282高分辨率下幅值的设置相匹配。
2.2 差分电压对的产生
DAC1282内部集成四路开关，可由寄存器设定为双极差分输入与输出功能，则前级数模转换模块产生的模拟电压以差分电压对的形式输出。SINE模式下的正弦信号输出波形如图2所示。
图2 SINE模式下的正弦信号输出波形
图2中:UCOM为共模电压；UDIFF为差模电压。
由电路原理可知，差模电压大小相等、方向相反。当两路正弦波通过检波器时，由于电压极性相反，所以检波器两极必定存在一个电势差，其大小为单路差模信号的两倍。而共模电压大小相等、方向相同，当两路共模信号经过检波器时，会导致检波器两极无电势差。由此可知，当差模电压和共模电压共同作用于检波器时，共模电压并不起作用，只有差模信号被保存下来；也可以等效理解为共模电压被有效消除。这便达到了采用差分法给检波器激励电压的设计目的。在后面的滤波二阶网络以及ADS1282电路中，采用差分法设计电路实现了大幅度降低共模电压干扰的试验效果，使设计结果更加精确。
由芯片手册可查得DAC1282输出共模电压的典型值为-0.1 V，而实际测试中此值达到了-0.15 V。在小信号、小电压、高精度的测试环境中，这一误差电压产生的附加噪声将是巨大的。
2.3 参数配置和电路
正弦信号是由数字信号发生器产生，通过数字调制器将产生的信号送给主DAC转换为模拟信号后，由缓冲器输出的。外部参考电压提供标准的±2.5 V双极性电压给电流发生器，由此产生适合主DAC工作的内部电流。正弦波频率定义如下:
(2)
式中:M[3:0]、N[7:0]为矩阵，且M[3:0]≤N[7:0];FREQ为频率配置寄存器，其可编程频率为0.488 3～250 Hz。
本设计中，对于小于14 Hz的自然频率，测试频率设定为12 Hz；对于大于等于14 Hz的自然频率，测试频率设定为检波器的自然频率的标准值。
正弦波输出幅值范围(即满量程输出电压)由DAC1282参考电压决定，有如下公式:
UOUT=UOUTP-UOUTN=±UREF/2×GAIN
(3)
式中：UREF为外部参考电压，差分电路中设定为±2.5 V。为了实现更好的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，数字增益的值越小越好。正弦信号产生电路如图3所示。
图3 正弦信号产生电路
3 低通滤波器设计
DAC1282可输出的频率范围在100 Hz以内，其产生的交流信号频率在通过检波器之前一定会受到其他频率成分的干扰，导致通入检波器的频率成分并非高纯度的测试频率。所以，需要对输出的正弦交流信号进行低通滤波器(low pass filter,LPF)设计，截止频率设定为100 Hz。二阶低通滤波器如图4所示。
图4 二阶低通滤波器示意图
图4所示的二阶低通滤波网络中:
Uo(s)=AvpU(+)(s)
(4)
(5)
(6)
整理式(4)～式(6),可得二阶低通滤波器的传递函数Av(s)为:
(7)
现将C1由接地改至输出端，得二阶压控型LPF的传递函数为:
Uo(s)=AvpU(+)(s)
(8)
(9)
UN所在节点的应用节点电流方程为:
(10)
LPF的传递函数为:
(11)
此时，可得电路若稳定工作，需要使滤波器的通带增益小于3。
由式(11)可知频率响应为:
(12)
对于品质因数Q，有:
(13)
|Av|(f=f0)=QAvp
(14)
式(13)、式(14)需满足2
图5 压控型有源低通滤波器示意图
为获得更好的频谱响应，取Q=0.707。高频滤波选取电容值为0.1 μF，截止频率设定为100 Hz，根据公式可计算电阻值，分别为R=10 kΩ、R1=21.5 kΩ、RF=12.2 kΩ。二阶有源低通滤波器如图6所示。
图6 二阶有源低通滤波器示意图
4 ADS1282数据采集电路
4.1 ADS1282特性
ADS1282与DAC1282是探测设备中的经典搭档。在其他探测领域，比如高精度地震采集站、地震勘探远程爆炸系统中都曾用到过。
ADS1282是一款集成双通道多路复用器和可编程增益放大器的高性能模数转化器，其内部可提供24位数据输出，采样率为250～4 000 sps；±2.5 V参考电压与DAC1282相同，保证信号传输的一致性；内部集成校准器、滤波器等模块，适用于能源探测设备、传感器、高精度仪器等高精度设备的测试。
ADS1282内部集成的四路模拟输入的多路复用器，由ESD保护二极管钳制两路差分输入通道之间的电压值，将电压控制在AVSS-0.3 V与AVDD+0.3 V之间，以保护多路复用器的输入。
4.2 采集电路
ADS1282内部具有多种滤波器，设计选用FIR低通数字滤波器，数字采样率选择4 000 sps，增益配置为1。时钟选用外部4.096 MHz有源晶振，数字电源采用3.3 V电压供电，模拟电源采用±2.5 V双极性电压供电，外部由REF5050提供标准±2.5 V参考电压分别供应VREFP和VREFN引脚；CAPN和CAPP引脚之间连接10 nF电容。确定采样频率和采样点数之后便可采样。信号采集电路如图7所示。
图7 信号采集电路
5 上位机FFT算法处理
FFT是失真度数字化测量方法的一种，曲线拟合法也属其中。对于地震检波器失真度参数的测试，FFT方法更具有针对性。利用FFT计算失真度，要防止出现频率泄漏问题。如果FFT结果不能反映信号的真实频谱特性，会造成频谱泄漏[10]。为防止频谱泄漏，采样时应保证对采样信号的完整周期性采样；同时，FFT数据量应足够大，但不应超过最大计算量，进而对采样数值进行蝶形运算[11]。
6 试验验证与分析
通过差分法对硬件电路进行设计，将采样得到的检波器输出的正弦波数据上传到上位机。采用FFT算法得到的欠阻尼检波器失真度测试结果如表1所示。
从表1可以看出，失真度测试的误差值小于等于0.000 1，表示该检波器测试合格。同时万分之一的精度满足地震检波器测试仪失真度参数的测试需要。相比传统检波器测试存在的精度不高、测试稳定性差等不足，差分方法设计的检波器测试仪实现了高精度、高稳定性的测试效果。
表1 欠阻尼检波器失真度测试结果
7 结束语
本失真度测试系统需要解决的难点在于：采用DAC1282全差分数模转换芯片，产生了接近标准的正弦波信号，加以二阶有源低通滤波，要求通过检波器的测试信号的输出更为准确；采用ADS1282全差分模数转换器，设置测试信号的采样速率达到4 000 sps，要求采样数据最大化地反映原信号；必须对快速傅里叶算法进行改进，以防造成频谱泄漏。
本设计实现了一个高精度地震检波器测试仪失真度测试系统。利用在差分方式下，共模信号在地震检波器两极引起的电势差为0的特点，有效地消除了共模干扰；加以二阶有源低通滤波网络，将截止频率限定在100 Hz，使得通过地震检波器的正弦波最大限度地接近标准正弦波，从而使失真度参数的测试精度达到了万分之一。
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Research on the Distortion Test of Differential Geophone Tester
LI Jianliang，WANG Yawei，SU Xiaojian，LI Shuqing
(College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China)
Distortion,as an important parameter of the geophone,its test method directly determines the accuracy of the test result.In the test process of existing tester for geophone,noise generated by the circuit is relatively large; the test accuracy cannot meet the test requirement for high precision geophone.Differential input method is used to complete the test of distortion parameters; the differential signal is produced by using the sinusoidal signal generator inside the high performance D/A conversion chip.The second order active low pass filter is used in signal processing part; the cut-off frequency is limited at 100 Hz to realize low pass effect.By way of fully differential design,the common mode interference in circuit was reduced,to make the sinusoidal signal going through the geophone much closed to the standard sinusoidal signal.In signal collection part,24 bit A/D conversion chip is used to reach the requirement of high precision collection accuracy.The experimental test shows that the distortion measurement system can meet the error standard of geophone tester,and the precision can reach 10-5.The test circuit designed by the full differential method improves the test accuracy;in addition,selecting high performance chip also plays an important role in the test results of the system.
Earthquake; Detector; Distortion; Sinusoidal signal; Low pass filter; Differential; High precision; Detection; Circuit
李建良(1973—)，男，硕士，副教授，主要从事测试仪表的研发工作。E-mail:LJL@tust.edu.cn。
TH86；TP2
A
10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706022
修改稿收到日期:2017-01-06
