基于MEMS地震儀的天然地震信號采集系統(tǒng)的開發(fā)論文

1、 PAGExx / NUMPAGES35中國石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文(申請工學(xué)碩士學(xué)位)基于MEMS地震儀的天然地震信號采集系統(tǒng)的開發(fā)學(xué)科專業(yè)：信號與信息處理培養(yǎng)方向：信號的檢測與處理The Development of Seismic Signals AcquisitionSystem Based on MEMSSeismometerThesis Submitted toChinaUniversity of Petroleumin partial fulfillment of the requirementfor the degree of Master of Science Engine

2、eringbyMA Qiu-fang(Signal and Information Processing)Tutor:Professor MA Xi-gengProfessor ZHOU Yao-qiApril,2007基于MEMS地震儀的天然地震信號采集系統(tǒng)的開發(fā)摘 要檢測和分析地震信號可以幫助人類認(rèn)識地球構(gòu)造，預(yù)測地震自然災(zāi)害。由于地震信號的頻率很低且能量非常微弱，所以難以準(zhǔn)確檢測，因此有必要設(shè)計一款高性能的地震信號采集系統(tǒng)。本文針對傳統(tǒng)地震儀體積大、頻帶窄的缺點，提出了基于MEMS技術(shù)的三分量地震儀的設(shè)計方案。使用低頻響應(yīng)好、靈敏度高的MEMS加速度傳感芯片1221x-002感測地震信號

3、，并設(shè)計放大、濾波、去直流分量等信號調(diào)理電路對傳感信號進(jìn)行處理，提高信噪比。再將整個檢測電路進(jìn)行合理裝配和調(diào)試，研制出三分量地震儀。為了構(gòu)成高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還選擇24位高分辨率數(shù)據(jù)采集器DT9820采集地震信號，并設(shè)計配套的數(shù)據(jù)采集處理軟件。數(shù)據(jù)采集軟件使用Visual C+編程，軟件的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、曲線繪制、PSN文件存儲和FFT頻譜分析等。在設(shè)計中，著重分析了系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵，提出了降低功耗、提高抗干擾能力等硬件優(yōu)化措施和合理分配緩沖區(qū)、運用WINDOWS消息響應(yīng)機制、合理組織軟件各功能模塊、采用GPS授時器授時等軟件措施。通過這些措施提高了系統(tǒng)實時性和可靠性。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能

4、夠進(jìn)行高精度實時數(shù)據(jù)采集和信號分析，輸出的數(shù)據(jù)和專業(yè)分析軟件WinQuake兼容，且應(yīng)用軟件界面友好、穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：MEMS地震儀，數(shù)據(jù)采集，DT9820，PSN數(shù)據(jù)格式The Development of Seismic Signals Acquisition SystemBased on MEMS SeismometerMA Qiu-fang(Signal and Information Processing)Directed by Professor MA Xi-geng,Professor ZHOU Yao-qiAbstractDetection and analy

5、sis of seismic signals can help people understandearths structure and predict earthquake disasters.It is difficult to detectseismic signals accurately because its frequency is too low and energy is tooweak.So it is necessary to design a high-performance seismic signalsacquisition system.This theses

6、introduces the design of a tri-axis seismometer based onMEMS technology,aims to overcome the disadvantages of traditionalseismometers,such as large volume and narrow band.In the design,1221x-002 is chosen to detect earthquake,and subsequent signal conditioningcircuits are designed to improve signal

7、to noise ratio,including amplifying,filtering and DC removing.By reasonable assembly and testing,aseismometer with three sensing directions is finally developed.Then DT9820,a data acquisition board with 24 bit resolution,is chosen to convert theseismic data.Based on the board,an acquisition and proc

8、essing software isprogrammed with Visual C+6.0.The main functions of the developedsoftware include data acquisition,curve portray,storing of PSN files and FFTspectrum analysis.Many methods are used to improve the systems real-time property and reliability.Power saving and anti-interference are intro

9、duced to optimize hardware performance.Reasonable allocation of buffers,utilization of WINDOWS message mechanism and GPS module are also applied in the acquisition and processing software.The results of experiments prove that the developed system can meet the need of real-time data acquisition and s

10、ignal analysis.The saved data can be read by the WinQuake,a professional seismic signals processing software.Furthermore,the designed software is full of friendly user interface and stable performance.Key words：MEMS Seismometer,Data Acquisition,DT9820,PSN DataFormat第1章前言1.1選題背景與意義地震既是一種自然災(zāi)害，又是人類認(rèn)識地球

11、部結(jié)構(gòu)和演化的一種有力工具。所以，對天然地震信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測以與對采集到的信號進(jìn)行有效的分析和處理意義重大。用于地震信號檢測的傳感器稱為地震儀，目前大多數(shù)地震儀仍然以機械結(jié)構(gòu)為主，不但體積大、價格高而且頻帶窄、抗震能力較差，影響信號采集效果。微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是使用微機械和微電子技術(shù)將機械元件、傳感器、執(zhí)行器和電路等集成到一個半導(dǎo)體上的微型器件，是近幾年來隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展而形成的全新的技術(shù)領(lǐng)域1?；贛EMS技術(shù)制成的各種傳感器比傳統(tǒng)傳感器性能更為優(yōu)良，具有頻帶寬、低頻響應(yīng)好、噪聲低、靈敏度高、線性度高等優(yōu)點，因此研

12、究基于MEMS技術(shù)的地震儀，提高信號檢測的精度具有重要的意義。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還需要將地震儀的信號通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集并存入計算機。地震數(shù)據(jù)采集器分辨率的高低、采集系統(tǒng)方案的合適與否，都直接影響地震信號采集的實時性、可靠性和準(zhǔn)確性，從而影響數(shù)據(jù)分析的效果。因此，設(shè)計一套基于高靈敏MEMS地震儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也至關(guān)重要。1.2課題研究的現(xiàn)狀（1）MEMS地震儀的發(fā)展現(xiàn)狀MEMS地震儀測量的是加速度，部核心元件為MEMS加速度芯片。目前開發(fā)研制MEMS加速度芯片的廠家主要有美國的ADI、SDI、Applied MEMS、芬蘭的VTI、瑞典的Colibrys等，其中有不少性能參數(shù)適合地震檢測的芯

13、片，如ADI公司的ADXL103和ADXL203、Colibrys公司的MS8002、SDI公司的1221x-002、Applied MEMS公司的SF1500L、SF1500S和SF3000L等。曾經(jīng)第一個推出24位-模數(shù)轉(zhuǎn)換地震儀SYSTEM的I/O公司已經(jīng)成功地將MEMS加速度芯片引入到了地震監(jiān)測領(lǐng)域，以VECTORSEIS命名推出了以筒型外殼封裝的三分量數(shù)字加速度部件，從而啟動了地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下一輪的更新?lián)Q代。法國的Sercel公司在2002年也推出了數(shù)字傳感單元DSU作為408UL地震儀升級的部件。Applied MEMS公司也已為美國地質(zhì)調(diào)查局USGS提供Si-Flex MEMS

14、加速度芯片用于地震監(jiān)測。國也有很多大學(xué)和研究機構(gòu)進(jìn)行MEMS地震監(jiān)測技術(shù)方面的研究，石油勘探儀器總廠和物探局一直致力于MEMS研制與應(yīng)用研究，威海雙豐電子傳感與中科院微系統(tǒng)所合作進(jìn)行基于MEMS技術(shù)石油地震勘探傳感器的研究。（2）地震數(shù)據(jù)采集器的現(xiàn)狀根據(jù)地震信號的特點和MEMS地震儀的性能指標(biāo)，選擇的數(shù)據(jù)采集器至少要達(dá)到3個以上通道，以實現(xiàn)單端模擬信號輸入和雙端差動模擬信號輸入；16位以上的A/D轉(zhuǎn)換分辨率，系統(tǒng)噪聲有效值至少要小于3LSB。港震公司生產(chǎn)的EDAS系列是比較專業(yè)的24位數(shù)據(jù)采集器，尤其EDAS-24IP和EDAS-24L還支持流動地震觀測，都具有GPS授時，但數(shù)據(jù)通道個數(shù)較少，

15、只能連接少數(shù)的地震儀；而美國Data Translation公司的DT9820系列24位數(shù)據(jù)采集器具有4個獨立的A/D轉(zhuǎn)換通道，采用USB2.0接口，不需單獨供電，系統(tǒng)噪聲較??；瑞博華公司的AD8200系列16位數(shù)據(jù)采集器也采用了USB接口，總采樣速率最大可達(dá)100KHz，而且具有32/16個通道，可同時連接多臺地震儀，但是其系統(tǒng)噪聲比較大，分辨率也不高。1.3課題研究的容（1）MEMS地震儀的研制研究現(xiàn)有的地震采集硬件系統(tǒng)的接口規(guī)，了解對地震儀的性能要求，選擇一種性能指標(biāo)符合地震檢測的要求、性價比高的MEMS加速度芯片。研究芯片的接口，設(shè)計外圍電路，制成MEMS地震儀，使地震儀輸出模擬信號，

16、并且能與現(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容。（2）數(shù)據(jù)采集處理軟件的開發(fā)選擇一款3通道以上的24位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集器，設(shè)計實時采集方案并基于MEMS地震儀開發(fā)一套地震數(shù)據(jù)采集處理軟件，與硬件一起構(gòu)成一套完整的地震信號采集系統(tǒng)。第2章系統(tǒng)設(shè)計方案2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2-1，三分量地震儀檢測地動情況并以電信號輸出；數(shù)據(jù)采集器將地震儀輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳入計算機；計算機上運行數(shù)據(jù)采集處理軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、處理和保存。為了保證數(shù)據(jù)采集時間的準(zhǔn)確性，采用GPS授時器對計算機進(jìn)行授時。圖2-1信號采集系統(tǒng)總體框架2.2地震儀的設(shè)計方案如圖2-2，地震儀一般具有三分量（豎直、東西、南北方

17、向）檢測的功能，而目前沒有很好的一體化MEMS三分量加速度芯片用于設(shè)計。針對這個現(xiàn)狀與天然地震信號微弱、頻率低的特點，本課題擬選出靈敏度高、低頻響應(yīng)好、噪聲低、適合地震信號采集的單分量MEMS加速度芯片，設(shè)計調(diào)理電路，使之輸出單端模擬電壓信號，從而制成單分量加速度傳感器。繼而再將三個單分量加速度傳感器（A1、A2、A3）相互垂直地裝配在一起，做好屏蔽、密封等處理后構(gòu)成三分量加速度傳感器，即三分量地震儀。豎直A2 A3東西 A1南北圖2-2三分量地震儀的結(jié)構(gòu)示意圖2.3數(shù)據(jù)采集處理軟件的設(shè)計方案 為了采集地震儀輸出的模擬信號，數(shù)據(jù)采集器的選擇也至關(guān)重要。通過對比，本課題選用美國Data Tran

18、slation公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集器DT9820采集地震數(shù)據(jù)，它具有4個獨立A/D轉(zhuǎn)換通道，24位分辨率，采用USB總線接口。 由于地震發(fā)生時間、強度的不確定性，因此就要求數(shù)據(jù)采集處理軟件具有較高的實時性和可靠性。本課題擬采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言編寫軟件，數(shù)據(jù)采集處理軟件需要實現(xiàn)的功能主要包括： 連續(xù)數(shù)據(jù)采集，實時曲線顯示 多路地震波形數(shù)據(jù)采集 存儲為規(guī)定格式的數(shù)據(jù)文件 數(shù)據(jù)文件回放 FFT頻譜分析 各個功能通過合理的安排布局融合在軟件的整體框架中，并具有友好的界面和較完善的參數(shù)設(shè)置功能。第三章MEMS地震儀的設(shè)計3.1概述由2.2設(shè)計方案知，三分量MEMS地震儀可以感測來自空間三個相互垂直方

19、向上的加速度。本課題采用的是設(shè)計單分量加速度傳感器，由三個單分量加速度傳感器組成三分量地震儀的設(shè)計方案。就電路原理來說，三路信號的檢測電路并無太大區(qū)別，因此本文將主要說明單分量加速度檢測電路的設(shè)計過程。3.2硬件構(gòu)成前置放大如圖3-1所示，MEMS地震儀的硬件主要包括傳感芯片（MEMS加速度芯片）、調(diào)理電路（前置電壓放大、低通濾波和去除直流處理）和電源部分（穩(wěn)壓、基準(zhǔn)和單雙端電源轉(zhuǎn)換）。下面對各部分分別進(jìn)行介紹。MEMS加速度芯片電壓基電源低通濾波電源穩(wěn)壓去直處理單/雙端電源轉(zhuǎn)換 輸出圖3-1地震儀的硬件構(gòu)成示意圖3.3 MEMS加速度傳感芯片的選擇與設(shè)計天然地震信號的頻率圍在0100Hz，對

20、低頻響應(yīng)的要求較高，且信號較弱不易感測，因此需要選擇一款性能優(yōu)秀的加速度芯片，在此基礎(chǔ)上設(shè)計地震儀。為此，首先必須了解加速度計的性能指標(biāo)。3.3.1加速度芯片的性能指標(biāo)加速度芯片是一種將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的器件，主要有以下幾個性能指標(biāo)：靈敏度、分辨率、頻率圍、噪聲水平、量程、0g偏置、0g溫漂2。對于加速度芯片，我們使用單位g（重力加速度，9.8m/s2）來表示輸入加速度的大小。a.靈敏度：一般是指加速度芯片的輸出電壓與輸入加速度的比值,單位為：V/g。例如，靈敏度為2V/g的加速度芯片，當(dāng)芯片感受到來自外部大小為1g的加速度時，輸出電壓就為2V。b.分辨率：指可測量的最小加速度值，單位：mg

21、。地震信號檢測一般要求小于1mg。c.頻率圍：又稱為帶寬，單位：Hz。由于天然地震信號的頻率分布在0100Hz，所以本課題中所選用的加速度芯片的頻率圍一定要大于這個值。d.噪聲水平：由于加速度芯片部的機械結(jié)構(gòu)和部空氣流動，以與電路中的信號噪聲、電磁干擾、電阻電容熱噪聲等，使加速度芯片在0g作用時的輸出電壓不為零，而且這個電壓與頻率的平方根成正比，這個比值即為加速度芯片的噪聲水平，也稱為噪聲密度。通常希望這個值越小越好。e.量程：指可以測量加速度的圍,單位：g。量程的絕對值大于2g的加速度芯片就可以滿足地震檢測的要求，但不建議選擇量程過大的加速度芯片，因為量程越大靈敏度就越低。f0g偏置：0g輸

22、入時輸出的變化，單位：V。理想狀態(tài)下這個值等于0V，但是由于加速度芯片部敏感軸的方向會有一定的誤差，所以輸出一般不為0V。g0g溫漂：溫度每變化1時0g輸出的變化值，單位：V/。3.3.2 MEMS加速度芯片的種類MEMS加速度芯片的種類繁多，按照檢測機制不同分類，可分為電容式、半導(dǎo)體壓阻式、壓電式、隧道電流式和微型熱對流式MEMS加速度芯片3。（1）壓阻式加速度芯片利用具有壓阻效應(yīng)的晶體在加速度作用下電阻率發(fā)生變化，從而引起電壓輸出。缺點是溫度效應(yīng)嚴(yán)重，受環(huán)境影響大。（2）壓電式加速度芯片壓電式芯片是利用壓電效應(yīng)制成的，當(dāng)輸入加速度時，壓電晶體在敏感質(zhì)量形成的慣性作用下產(chǎn)生電荷，電荷放大輸出

23、成比例的電壓。缺點是頻帶圍一般從0.11Hz開始，無法檢測超低頻地震信號。（3）熱對流式加速度芯片加速度的輸入引起氣體的熱對流，通過相應(yīng)電路檢測熱敏元件的差值得到加速度的數(shù)值。缺點是頻帶圍窄，靈敏度低。（4）隧道電流式加速度芯片利用真空壘勢中的電子隧道效應(yīng)，加速度輸入時會引起隧道電極距離變化，從而產(chǎn)生隧道電流，通過測量這個電流可得到加速度的大小。缺點是對靜態(tài)加速度輸入不敏感。（5）電容式加速度芯片利用部結(jié)構(gòu)間電容量的變化引起輸出電壓的變化，具有穩(wěn)定性好、靈敏度較高、低頻響應(yīng)好、適用溫度圍廣等優(yōu)點。特別是利用慣性力矩原理做成的扭擺式加速度芯片，還具有體積小、噪聲小、溫度漂移小等優(yōu)點，是本設(shè)計的理

24、想選擇。從電容的變化方式來看，電容式加速度芯片有變間距式、變面積式和變介電常數(shù)式三種，由于變介電常數(shù)式加速度芯片在結(jié)構(gòu)上比較難以實現(xiàn)，所以這里只討論前兩種。電容式加速度芯片的電容為（3-1）其中，為介電常數(shù)，S為極板正對面積，b、l分別為極板正對面積的寬和長，d0為極板間距（無加速度輸入時），可見S和d0的變化都能改變電容的大小4。對于變面積式，當(dāng)極板平行移動距離為?l時，電容的變化量c為（3-2）（3-3）對于變間距式，當(dāng)極板間距改變量為d時，電容的變化量c為（3-4）（3-5）對于式(3-5)，當(dāng)dd0時可近似認(rèn)為（3-6）可見，式（3-2）和式（3-4）反映的是輸入與輸出的關(guān)系，而式（3

25、-3）和式（3-5）反映的是靈敏度。變面積式結(jié)構(gòu)的輸出與輸入是線性關(guān)系，變間距式結(jié)構(gòu)在dd0時近似線性，因此從線性關(guān)系上說，變面積式結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。但由于電容極板的寬度遠(yuǎn)大于極板間距，在初始電容一樣的情況下，變間距式結(jié)構(gòu)的電容變化量遠(yuǎn)大于變面積式結(jié)構(gòu)，即變間距式靈敏度高于變面積式。由于低g加速度芯片的特性要求優(yōu)先考慮靈敏度，因此本課題選擇變間距式電容結(jié)構(gòu)。3.3.3扭擺式MEMS加速度芯片扭擺式加速度芯片是變間距電容式加速度芯片的一種，是利用慣性質(zhì)量片繞支承梁扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電容變化的MEMS加速度芯片。圖3-2為扭擺式加速度芯片的工作原理圖，（a）和（b）分別為扭擺機構(gòu)的俯視圖和側(cè)視剖面圖3。圖中敏

26、感質(zhì)量片可以分為五部分，其中a1、a2部分成對出現(xiàn)，以支承梁為對稱軸均勻地分布在兩側(cè)，而a3部分僅在質(zhì)量片左側(cè)出現(xiàn)，造成質(zhì)量片位于支承扭梁兩邊的質(zhì)量和慣性矩不相等。因此當(dāng)垂直于質(zhì)量片的加速度輸入時，質(zhì)量片將繞著支承梁扭轉(zhuǎn)。又由于質(zhì)量片的下方為玻璃基片，可以和質(zhì)量片a2的部分構(gòu)成電容器，質(zhì)量片的扭轉(zhuǎn)必然造成各部分電容量的變化，而且相應(yīng)的對稱部分電容總是一側(cè)變大、另一側(cè)變小，從而形成差動電容，該電容可以通過電橋測量、交流放大和解調(diào)，產(chǎn)生與輸入加速度成正比的電壓。以上只是定性分析了扭擺式MEMS加速度芯片的工作原理，為了得到明確的輸入輸出關(guān)系，需要進(jìn)行定量分析。圖3-2扭擺式MEMS加速度芯片的原理

27、圖如圖3-2，設(shè)支承梁的長和寬分別為l和w，質(zhì)量片的厚度為h（即支承梁的厚度為h），質(zhì)量片的寬度為b，a1部分（力矩發(fā)生電極）、a2部分（檢測電極）、a3部分（偏心質(zhì)量）的寬度分別為a1、a2、a3，則質(zhì)量片的長度為tl=2a1+2a2+a3，那么慣性扭矩帶來的扭轉(zhuǎn)角為（3-7）式中，Mt為慣性扭矩，（a為輸入加速度，m為敏感質(zhì)量片偏心質(zhì)量，為材料密度）；In=w3h為慣性矩（其中是與h/w有關(guān)的參數(shù)）；為剪切彈性模量（其中E為式彈性模量，為泊松比）。因此扭轉(zhuǎn)角又可表示為（3-8）可見，扭轉(zhuǎn)角的大小與加速度的大小是成正比的。此時，檢測電極的間隙變化為 （3-9）式中l(wèi)d為檢測電極中心到支承梁的

28、距離。由式（3-6）可推得電容變化與加速度之間的關(guān)系為（3-10）其中d0為輸入加速度為0g時極板間距離。由式（3-10）可見，電容變化與加速度的大小也是正比的。如果檢測電路所能檢測的單邊最小電容變化為，那么電路所能檢測到的最小加速度為（3-11）這就是加速度芯片的分辨率。3.3.4加速度芯片1221x-002芯片與使用（1）概述通過對比，本設(shè)計最終選擇了SDI公司的高靈敏度、低噪聲加速度芯片1221x002。如圖3-3，它采用20管腳的瓷片式無引線載體封裝（LCC），部由微機械電容敏感元件芯片和專用電路集成芯片組成。由于使用了密封封裝，所以對外界溫度變化不敏感，性能較穩(wěn)定5。該芯片的主要技術(shù)

29、指標(biāo)為：靈敏度2000 mVg，帶寬0400Hz，量程2g，噪聲密度，工作電壓5V，工作電流10mA，輸出阻抗90，提供模擬電壓信號輸出（可差動輸出或單端輸出，加速度為0g時兩端均輸出2.5V的電壓）5。圖3-3 1221x-002管腳圖 圖3-4 1221x-002典型應(yīng)用接線圖（2）芯片使用方法 a芯片主要管腳說明 VDD和GND：芯片工作電源和地； AOP和AON：差動模擬電壓輸出（AOP為正、AON為負(fù)）； DV：測試電壓輸入端，可以模擬加速度輸入測試芯片性能； VR：部電壓參考端，一般用于提高測量精度； 2.5V：電壓參考端，為差動信號輸出提供基準(zhǔn)電壓； b芯片的典型接線與工作過程如

30、圖3-4，芯片的連接較為簡單，由5V電源給芯片供電，精密電源分壓得到2.5V電壓基準(zhǔn)給差動信號輸出提供基準(zhǔn)電壓。為了保證測量精度，VR端與電源正極相連。當(dāng)輸入加速度為零時，AOP和AON端輸出電壓都是2.5V。當(dāng)有正向加速度輸入時，AOP端輸出信號變大，AON端輸出電壓減小，且滿足圖3-5的關(guān)系?？梢夾OP和AON輸出呈對稱關(guān)系，且采用差動輸出方式的輸出電壓比單端輸出（采用AOP或AON作為信號輸出端）電壓大一倍，即靈敏度要高一倍。圖3-5 1221x-002芯片的輸入輸出關(guān)系（3）芯片性能的分析 a輸出特性按照2000 mVg靈敏度和2g測量圍計算，差動輸出時1221x002的輸出特性有：靜

31、態(tài)（0g）特性：正端2.5V，負(fù)端2.5V，輸出0V；量程下限（-2g）：正端2.52=0.5V，負(fù)端2.52=4.5V，輸出4V；量程上限（+2g）：正端2.52=4.5V，負(fù)端2.52=0.5V，輸出4V； b噪聲抑制特性設(shè)輸入加速度所產(chǎn)生的電壓為U，噪聲信號在兩個輸出端產(chǎn)生的共模電壓為u。此時，正端的輸出電壓VAOP=2.5V+U/2u/2，負(fù)端的輸出電壓VAON=2.5VU/2u/2，總的輸出電壓為VAOP-VAON=U。可見采用差動輸出方式能夠有效抑制噪聲。 c芯片的噪聲芯片的噪聲由噪聲密度來決定，噪聲密度是指在常溫（25）下，噪聲在整個通頻帶的分布情況6。1221x002的噪聲是高

32、斯白噪聲，均勻分布在通頻帶，用單位描述，大小為?？梢?，芯片的噪聲與帶寬有關(guān)，由前面知道地震信號的頻率圍為0100Hz，所以將要設(shè)置的濾波電路的截止頻率為100Hz，因此芯片均方根噪聲的計算公式為： （3-12）Q系數(shù)由所連接的濾波器決定，一般情況下Q?1.6，則可計算得芯片的均方根噪聲：若換算成電壓形式為：3.4.1系統(tǒng)對前置放大電路的要求地震信號非常微弱，而地震儀的工作環(huán)境又比較惡劣，因此地震信號極易受到噪聲的影響，所以需要對信號進(jìn)一步放大。由于此放大電路設(shè)在信號的最前端，對后繼電路具有重要的影響，通常被稱為前置放大電路，因此必須慎重選擇和設(shè)計。作為前置放大電路必須滿足以下三點要求7：（1）

33、高共模抑制比由加速度芯片送至前置放大電路輸入端的電壓包括兩個部分：一部分是地震信號電壓，這個電壓為差模電壓Vsd；另一部分是由電磁、工頻電網(wǎng)、雷電等干擾因素造成的干擾電壓（包括共模干擾電壓Vnc和差模干擾電壓Vnd）。若前置放大電路的共模增益為Kc，差模增益為Kd，則前放輸出電壓為 (3-13)因此輸出信噪比為 (3-14)其中CMRR=稱為共模抑制比。由于干擾信號特別是雷電產(chǎn)生的干擾電壓主要是以共模形式出現(xiàn)，其峰值遠(yuǎn)大于地震信號電壓的幅度，而且僅有小部分因連線不對稱而轉(zhuǎn)換成差模干擾電壓，所以，由式（3-14）可見，提高前放輸出信噪比，關(guān)鍵在于增大前放的共模抑制比CMRR。高共模抑制比是對前放

34、的最基本要求，抑制共模干擾是前放的首要任務(wù)，一般要求其大于105。（2）低噪聲由于電路部有噪聲源存在，使得電路即使沒有信號輸入時，輸出端仍輸出一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲。把輸出端測到的噪聲有效值VON除以該電路的增益K，即得到該電路的等效輸入噪聲VIN。VIN =VON/K (3-15)設(shè)系統(tǒng)部各個互不相關(guān)的噪聲源產(chǎn)生的輸出噪聲有效值分別為VONI，I1,2,m，那么這些不相關(guān)的噪聲加在一起將使系統(tǒng)的總輸出噪聲為 (3-16)地震信號采集系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3-6所示，由前置放大電路、濾波電路、去直電路以與數(shù)據(jù)采集器中的A/D轉(zhuǎn)換電路這四部分所產(chǎn)生的噪聲可視為采集系統(tǒng)電路部四個

35、互不相關(guān)的噪聲源。假定它們的等效輸入噪聲分別為VIN1、VIN2、VIN3、VIN4，增益分別為K1、K2、K3、K4，則采集系統(tǒng)電路的總輸出噪聲應(yīng)為 (3-17)實際上圖中K、K、K均為1，故上式簡化為 (3-18)此噪聲折算到前置放大電路的輸入端即得到采集系統(tǒng)電路的總的等效輸入噪聲VIN (3-19)可見，前放產(chǎn)生的噪聲被后面各級放大，因此，電路中的噪聲主要由前置放大電路決定，要減小總噪聲，關(guān)鍵在于減小前放部分的噪聲。AD轉(zhuǎn)換K4濾波電路K2前置放大K1去直電路K3VOVIN1VIN2VIN3VIN4圖3-6地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖（3）高輸入阻抗設(shè)E為加速度芯片的開路輸出電壓，RO為加

36、速度芯片的輸出電阻，RL為連線電阻，Rid為前放的差模輸入電阻，可得前放輸入端的地震信號差模電壓Vsd為： (3-20)為了使加速度芯片輸出的地震信號電壓盡可能大的傳輸?shù)角胺泡斎攵?，就要求前放電路有適當(dāng)高的差模輸入阻抗。3.4.2前置放大器的選擇與設(shè)計前置放大電路的主要構(gòu)成為前置放大器，因此選擇性能優(yōu)秀的前置放大器至關(guān)重要。一般運算放大器適用于信號回路不受干擾的情況，但由于環(huán)境因素，在加速度芯片的兩條輸出線上經(jīng)常產(chǎn)生較大的共模干擾。而運算放大器的正負(fù)輸入端表現(xiàn)為不平衡的輸入電阻，因此共模干擾信號不能很好的被抑制，為此需要引入儀表放大器。（1）儀表放大器儀表放大器是一種經(jīng)過優(yōu)化處理的精密差分電壓

37、放大器件，廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號與具有較大共模干擾的場合8。儀表放大器由兩級串聯(lián)，前級是兩個對稱結(jié)構(gòu)的同相放大器，輸入信號加在兩個放大器的同相輸入端，從而具有高抑制共模信號的能力和高輸入阻抗；后者是差動放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式，適應(yīng)對地負(fù)載的需要。儀表放大器還有低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)電壓等特點，特別適合于精密測量。圖3-7是一個由三個運算放大器組成的典型儀表放大器9，我們對電路的增益、共模抑制能力等進(jìn)行分析。圖3-7三運放組成的儀表放大器原理圖 a電路增益推導(dǎo) 由圖3-7的電路可以看出，電路的差分增益可通過Rg調(diào)節(jié)，電路的總增益

38、推導(dǎo)如下。 運用電路疊加原理，分別求出放大器A1、A2的輸出電壓值Va和Vb。當(dāng)Vin1=0時，Va=-Vin2（1+R5/Rg），Vb=Vin2（1+R6/Rg）當(dāng)Vin2=0時，Va=-Vin1（1+R5/Rg），Vb=-Vin2（1+R6/Rg） 故得到 Va=Vin1（1+R5/Rg）-Vin2（1+R5/Rg） （3-21）Vb=Vin2（1+R6/Rg）-Vin1（1+R6/Rg） （3-22）再對A3應(yīng)用疊加原理可得到（3-23）為了增強電路的對稱性，一般取R1=R3,R2=R4,R5=R6得 (3-24) b電路的共模抑制能力 電路中用雙運算放大器（A1和A2）作為輸入電壓緩沖

39、器。理論上由電路的結(jié)構(gòu)可以看出當(dāng)有一差分電壓加到輸入端時，整個輸入電壓呈現(xiàn)在Rg的兩端。由于其兩端的電壓為Vin，故流過Rg的電流為Vin/Rg，輸入信號通過A1、A2獲得放大。同時加在放大電路輸入端的共模電壓在Rg兩端具有一樣的電位，從而在Rg上無電流流過，繼而在R5和R上無電流流過，即A1、A2作單位增益的跟隨器工作。故共模干擾得到抑制，而差分電壓得到了放大。另外，由于電路的對稱性，使得其在整個溫度圍兩個運算器A1、A2彼此之間有良好的一致性，能夠提供匹配的高輸入阻抗，故可把輸入源阻抗對電路的共模干擾影響降為最小。（2）儀表放大器AD620的原理與使用 本系統(tǒng)選用美國ADI公司的高精度儀表

40、放大器AD620，它是根據(jù)圖3-7所示的典型三運算放大器改進(jìn)而成的一種單片儀表放大器。它采用絕對值調(diào)整技術(shù)允許用戶僅用一只電阻便可以精確地設(shè)置增益為1至1000；具有109的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對稱引入的誤差；等效輸入噪聲密度小于13 nVHz，共模抑制比高達(dá)130dB，輸入失調(diào)電壓的溫度漂移小于1V/，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統(tǒng)的精度8。另外，在同類產(chǎn)品中，它的功耗特別低：輸入電壓為5V時，工作電流僅有1.3mA。圖3-8為AD620的部結(jié)構(gòu)原理圖，圖中輸入三極管Q1和Q2提供一個差分對雙極性輸入，超工藝還提供低于1/10的輸入偏置電流。通過Q

41、1-A1-R1環(huán)路和Q2-A2-R2環(huán)路反饋，使通過輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，由此使輸入電壓加在外部增益設(shè)置電阻器RG的兩端。這就產(chǎn)生一個從輸入到A1、A2輸出的差分增益G，G=(R1+R2)/RG+1。單元增益減法器A3消除共模信號，并且相對參考電位產(chǎn)生單端輸出8。 RG的值還決定前置放大器級的跨導(dǎo)。為了提供增益而減小RG時，前置放大器級的跨導(dǎo)逐漸增加到相應(yīng)輸入三極管的跨導(dǎo)。這種設(shè)計使得隨著設(shè)置增益增加，開環(huán)增益也隨著增加，從而降低了增益相對誤差；增益帶寬乘積（由C1，C2和前置放大器跨導(dǎo)決定）隨著設(shè)置的增益一起增加，因而優(yōu)化了放大器的頻率響應(yīng)。另外，由于輸入器件的集電極電流和

42、基極電阻的關(guān)系，使得輸入電壓噪聲可以減少到9 nV/Hz。部增益電阻器R1和R2的阻值已經(jīng)調(diào)整到24.7k，從而允許只利用一只外部電阻器便可精確地設(shè)置增益。增益公式為(3-25)或（3-26）（3）具體設(shè)計 具體線路連接如圖3-9，圖中儀表放大器AD620由5V電源供電，差動輸入為前級加速度芯片1221x-002的輸出信號，RG為增益調(diào)整電阻，C為電源濾波電容，濾除電源線上的高頻噪聲。圖3-9前置放大器電路連接圖由芯片1221x-002的工作特性可知，若采用差動輸出方式，則當(dāng)加速度為0g時，差動輸出正負(fù)端輸出均為+2.5V，差動電壓為0V；當(dāng)加速度為+1g時，芯片的差動輸出的正負(fù)端輸出均分別為

43、+3.5V，+1.5V，差動壓為2V；當(dāng)加速度為滿量程2g時，差動輸出正負(fù)端輸出分別為+4.5V和+0.5V，差動電壓為4V。因此，若需要采集的地震信號整體幅度較大甚至接近滿量程，那么前置放大器的放大倍數(shù)就不能太大，否則輸出信號將會失真；若地震信號較弱則需要將信號進(jìn)行適當(dāng)放大，以提高信號的輸出電壓。因此，在設(shè)計時提供了多種可選增益，分別為1、2、10。對于檢出的地震信號增益G2的情況，由式（3-26）可得（4）誤差分析AD620是根據(jù)典型的三運算放大器改進(jìn)而成的，可看作由輸入和輸出兩級組成，每級都有各自的誤差源。儀表放大器的綜合誤差可分為四類，即輸入誤差、輸出誤差、RTI總誤差和RTO總誤差。

44、輸入誤差是由放大器的輸入級單獨貢獻(xiàn)的誤差；輸出誤差是放大器的輸出級引起的誤差；將與輸入端相關(guān)的誤差進(jìn)行分類和組合折合到輸入端的誤差稱為RTI總誤差；將與輸出端相關(guān)的誤差進(jìn)行分類和組合折合到輸出端的誤差稱為RTO總誤差10。對于給定的增益，儀表放大器的輸入和輸出折合誤差可使用的下述兩個公式計算：RTI總誤差輸入誤差輸出誤差/增益RTO總誤差輸入誤差增益輸出誤差儀表放大器的誤差源有很多種，包括共模輸入電壓、輸入輸出失調(diào)、溫漂、增益精度、增益非線性和電源變化等。其中最主要的是共模輸入電壓引起的誤差和輸入輸出失調(diào)引起的誤差。下面分別進(jìn)行分析，計算時統(tǒng)一將所有誤差都折合到輸出端。a.由共模輸入電壓引起的誤差理想儀表放大器應(yīng)該完全抑制放大輸入端的任何共模分量，但實踐中輸出端總會有殘余成分。共模抑制比就是用來衡量共模信號被放大器抑制程度的一個綜合指標(biāo)11。表示為 （3-27）其中，AD是差分增益，VCM是輸入端共模信號，VOCM是共模信號引起的輸出端電壓。所以，由共模電壓引起的輸出電壓是(3-28)第6章結(jié)論本文根據(jù)天然地震信號的特點，基于MEMS技術(shù)，綜合運用傳感器、信號調(diào)理、電源設(shè)計、抗干擾、低功耗等電子線路設(shè)計知識，研制了高性能三分量MEMS地震儀。并采用一款高分辨率數(shù)據(jù)采集器，在VC+編程環(huán)境下開發(fā)了