高尚华 薛 兵 蒋久明 邹镇宇

（中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

大动态宽频带观测一直是地震观测中追求的目标，因此“十五”期间在很多台站布设了动态范围大线性度好的宽频带地震仪，但这似乎还不能满足现实需要，比如，2008年的汶川地震，使得千里之外的宽频带地震仪都因为动态范围不足而出现了限幅问题。就当前中国的现状来看，地震计的动态范围（140 dB以上）比地震数据采集器的（130 dB左右）大，所以在这里主要针对数据采集器进行了研究，争取达到26位的分辨率、±15 V的满量程以及145 dB以上的动态范围，以缓解/消除大地震到来时观测仪器易出现的幅度受限问题。

过采样Δ－∑（增量总和）技术和多斜积分技术都可以实现较高有效位数的AD转换，但多斜积分ADC转换时间较慢，如安捷伦HP3458A8½位数字多用表，工作在8½位（相当于27～28位二进制）状态时一秒钟只能转换6次。而在地震观测中，需要记录的天然地震的地震波频带主要为360 s到50 Hz，这要求所使用的地震数据采集器的采样频率在100 Hz以上，显然多斜积分方案满足不了要求。因此，我们应用多比特△-∑技术来实现26位高分辨的AD转换。

图1是我们提出的带有数字校正的Δ－∑ADC设计框图。如图所示，采用线性度好、噪声低的ADC和DAC芯片来搭建Δ－∑反馈环。采用数字校正模块来补偿反馈回路中N位DAC的非线性失真，该模块内部含有一个可随机访问的存储器，存储器中存储的是各种可能的输入代码下DAC输出电压的标称值和实测值之差（用数字方式表示），寻址方式是DAC的N位输入代码。Δ－∑AD转换器输出的是高速率低分辨率的数据流。为从中获取所需要的信号（如地震波形），拟利用最小相位/线性相位FIR数字滤波器来进行采样率变换，将该高速率低分辨率的数据流转换成低速率高分辨率的数据信号，并对其进行编码，以便后续的处理、存储和传输。

我们在Matlab/Simulink环境中对上述设计方案进行了实现，并对输出数据做了频谱分析。实验表明，在输入信号为2 V的25 Hz正弦波、1 V的200 Hz正弦波以及－5 V直流的叠加、过采样频率为64 kHz、积分器设计为三阶的条件下，200 Hz带宽内量化噪声可衰减到－200 dB。

16位ADC芯片的量化噪声在－100 dB左右，使用多比特反馈环后可以达到－200 dB，这说明上述提出的设计方案是切实可行的。在进行具体的电路设计时，由于受运算放大器等元器件非理想特性的影响，效果可能没有这么好。不过，当前优质的低噪声低漂移放大器的性能指标也能达到8～9个量级，所以有望在实际中达到预定目标。

图1 提出的带有数字校正的Δ－∑ADC设计框图