代功軍

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上?！?00120)

SEAL系統(tǒng)中野外數(shù)字單元的測試原理和方法

代功軍

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海200120)

摘要：：在地震儀器的野外組成部分中FDU(野外數(shù)字單元)是其一個重要的組成部分，F(xiàn)DU工作狀態(tài)的好壞也直接關系到地震數(shù)據(jù)的采集質量。本文從FDU的結構和工作原理出發(fā)，從FDU的噪聲、增益和相位、畸變、共模抑制及串音等方面系統(tǒng)的闡述了地震儀器中對FDU的測試原理和測試方法，對野外施工中正確測試、快速判斷和排除FDU故障，提高數(shù)據(jù)采集質量有極大的幫助。

關鍵詞：野外;數(shù)字單元；模數(shù)轉換；測試網絡

中圖分類號：P631.41

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2015)06-0024-06

收稿日期：2015-03-06

作者簡介：代功軍(1978-)，男，物探工程師，2003年畢業(yè)于河南師范大學計算機科學與技術專業(yè)，2004年結業(yè)于中國地質大學物探專業(yè)，現(xiàn)任中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司儀器操作員，上海市浦東新區(qū)東塘路240號，Tel：021-68466173，13903731947，E-mail：dgj529@126.com。

1FDU的結構和工作原理

FDU的元器件分布在一塊電路板的上下兩個面上，其主要元件分布如下圖1所示。FDU由電源、EEPROM存儲器和SIGMA DELTA、FDU-IN、FDU-COM三個集成片組成，這五部分的主要功能為：① Power supply:為板上的模擬電路部分產生6.3V電壓和為數(shù)字電路部分產生2.7V電壓。②FDU INT:是再形成信號，包括兩個鎖相環(huán)用于同步FDU。③FDU COM:是管理和LAU之間的通訊，數(shù)據(jù)處理：執(zhí)行數(shù)據(jù)從頻率256Hz轉到4Hz的十進制格式和管理其他功能。④SIG DEL: 是把檢波器的模擬信號轉換為256kHz的數(shù)字信號，它也包括被LAU所控制的數(shù)模轉換，常常用在野外和內部檢測上。⑤ EEPROM：被FDU COM管理，存儲FDU的ID號和校驗參數(shù)。

FDU在接收到來自電纜的電壓后就被喚醒，它會把檢波器的模擬信號轉換為數(shù)字信號發(fā)送到LAU。FDU加電后自動初始化四個部分：① DDU-INT的鎖相環(huán)被8.192MHz的數(shù)據(jù)時鐘同步。②FDU-COM檢查數(shù)據(jù)幀的開始，fdu現(xiàn)在可以解釋命令。③FDU可以被任意方向連接，在連接主動和被動的一對鬼對(ghost pairs)上啟動一個自動的內部定位。④ 初始化檢測，包括野外和內部。檢測發(fā)生功能是由DAC數(shù)模轉換成的一個模擬信號來執(zhí)行的，這個數(shù)字信號是以0.25ms采樣率(256kHz)存儲在LAUM的閃存里。圖2a是FDU測試的簡化電路：當從HCI工作站發(fā)出儀器測試指令時，每一個涉及的FDU進行工作的示意圖；圖2b是檢波器測試的簡化電路：當從HCI工作站發(fā)出儀器測試指令時，每一個涉及的FDU進行工作的示意圖。

圖1　FDU主要元件布局

圖2

測試順序由下列不同的階段組成：

(1)模擬電路的瞬時階段：開始時間(Tb)和結束時間(Te)如下表1所示。

表1　Tb和Te時間表

(2)測量階段的時間Tm長短取決于測試和濾波類型，以及使用的采樣率。

測試階段的參數(shù)及測試結果的限值在用戶手冊中均有說明。

2FDU的幾個測試項目的測試原理和方法

以當前儀器在施工工作中需要做的幾個測試項目來作說明：

2.1　儀器Noise噪聲測試

該測試項目用于測量FDU中ADC模數(shù)轉換器的噪聲。噪聲是超過3Hz、直到Nyquist頻率范圍內的信號能量。轉換器的輸入端連接到內部測試網絡，它執(zhí)行DFT(二維傅里葉轉換)并計算低于3Hz的噪聲譜能量。由于輸出信號的總能量是已知，所以在帶寬內的總噪聲能被推算出來。其相應的簡化電路結構如圖2a所示。測試時電路及參數(shù)：ADC輸入端連接到內部測試網絡，前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB)),DAC處于OFF(關斷)狀態(tài)，濾波器類型和采樣率用戶選擇。測試序列：

開始時間Tb和結束時間Te參見表1，測量階段(Tm)的長度見下表2。

表2　FDU噪聲測試時間Tm長度

測試原理：從DSP(數(shù)字信號處理器)輸出的DFT(二維傅里葉轉換)，對低于3Hz的噪聲信號的能量進行了計算。輸出信號的總能量是已知的，系統(tǒng)就在帶寬內對儀器噪聲的RMS均方根值進行計算。在第N個輸出樣值上的總能量(TotalPower)：

式中：N的數(shù)量取決于采樣長度和采樣率(SR)，X為24位編碼后量化了的樣值振幅。

低于3Hz的能量(PowerLT3Hz)：

儀器噪聲RMS值：

2.2　儀器Gain and Phase增益和相位測試

該項測試用于檢查從DC直流到濾波器截止頻率的通帶內，F(xiàn)DU內部ADC轉換器的增益和相位的漂移。其相應的簡化電路結構如下圖3所示。

測試時電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內部測試網絡；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內部測試網絡；濾波器類型和采樣率用戶選擇。使用三種測試序列(T1,T2,T3)：

圖3　FDU增益和相位測試簡化電路圖

開始時間Tb和結束時間Te參見表1, 測量階段(Tm)的長度見下表3。

表3　FDU增益和相位測試Tm長度表

(1)測試原理

DAC輸出一個脈沖(已知其振幅和脈沖寬度)到內部測試網絡。ADC輸出端連接到內部測試網絡，可以檢測到內部測試網絡兩端加入的電壓。計算DSP輸出信號(為不同測試頻率)中的DFT，并與相同頻率的模型計算成果進行比較。根據(jù)不同的振幅和相位，計算出它們相對于模型的誤差。測試將報告振幅和相位中出現(xiàn)的最大誤差。

DFT二維傅里葉轉換的計算進行不同的DFT計算(對模型和檢測信號的計算)所使用的測試頻率的數(shù)量取決于所選擇的采樣率(SR),它們之間有下列的關系：

式中：fnyquist為采樣頻率，fcutoff為截止頻率。

輸出信號的DFT理論值是TheoreDft，是從FDU校準值中、從DAC輸出電流中、從內部電阻網絡配置中計算出來的。

(2)增益漂移計算

理論輸出信號的RMS均方根值：

TheoreRms=|TheoreDft|*DevFreqRms

DevFreqRms表示的是由采集道電路引起的所有增益校準因數(shù)的結果，就像來自FDU和LAU數(shù)字濾波器和來自ADC和DAC轉換器的增益校準一樣。DevFreqRms不進行DFT理論值(TheoreDft)的計算。不同的DevFreqRms值取決于使用何種濾波器類型、采樣率和頻率。

(3)檢測信號的RMS值

在DSP的輸出信號上進行了DFT二維傅里葉轉換后的RMS：

Vrms=|Dft|

(4)增益相對誤差

對所有測試頻率都要計算增益誤差，并保留計算出的最大誤差作為最終測試結果。

(5)相位偏移計算

理論輸入信號的相位值(TheoretArg)：

TheoretArg=Argument(TheoretDft)+DevFreqArg

DevFreqArg表示的是由采集道電路引起的所有增益校準因數(shù)的結果，就像來自FDU和LAU數(shù)字濾波器和來自ADC和DAC轉換器的增益校準一樣。DevFreqArg不進行DFT理論值(TheoreDft)的計算。不同的DevFreqArg值取決于使用何種濾波器類型、采樣率和頻率。

(7)檢測信號的相位值

在DSP的輸出信號上進行了DFT二維傅里葉轉換后的Arg相位值：

Arg=Argument (Dft)

式中：Argument為幅角。

(8)相位誤差

式中：TestFreq為測試信號頻率。

對所有測試的頻率都要計算相位誤差，并保留計算出的最大誤差作為最終測試結果。

2.3　儀器Distortion畸變測試

該項測試用于檢查FDU內部的ADC模數(shù)轉換器的線性響應。將一個已知振幅和頻率的正弦波通過內部測試網絡送入ADC模數(shù)轉換器的輸入端進行檢查。測試將報告：被選濾波器帶寬內檢測到的所有諧波的頻譜功率與輸出信號的頻譜功率之比，其相應的簡化電路結構如上圖3所示。測試時電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內部測試網絡；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內部測試網絡；濾波器類型和采樣率用戶選擇。測試序列：

開始時間Tb和結束時間Te參見表1，測量階段的時間Tm長短見下表4。

表4　FDU畸變測試時間Tm

(1)測試原理

DAC將一個正弦波信號(f=31.25Hz，振幅=FDU滿標的97%)輸入到內部測試網絡中。ADC輸入端連接到內部測試網絡，并檢測內部測試網絡輸出端的電壓。計算DSP輸出信號的DFT(計算不同輸入信號頻率的DFT)。計算相應的基本頻譜功率(TestFreqPower)。計算相同信號的諧波譜功率(HarmonicPower)。然后用相同信號的諧波譜功率除以基本頻譜功率(是否是通帶內的諧波線，由被選濾波器的截止頻率來劃定)。測試結果用dB表示。

(2)基本譜功率計算

(3)諧波譜功率計算

式中：N≤9。

(4)儀器畸變計算

2.4　儀器CMRR共模抑制測試

該項測試用于測量FDU內部ADC轉換器的共模抑制比。一個已知振幅和頻率的正弦波信號經過內部測試網絡輸入到ADC轉換器的兩個輸入端進行測量。測試將報告：共模電壓值與相對于輸入端的輸出電壓RMS值之比。其相應的簡化電路結構如上圖3所示，測試時電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內部測試網絡；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內部測試網絡；濾波器類型和采樣率用戶選擇。測試序列：

開始時間Tb和結束時間Te參見表1，測量階段的時間Tm長短見下表5。

表5　FDU畸變測試的Tm

(1)測試原理

DAC將一個正弦波信號(f=31.25Hz，振幅=DAC滿標的77.6%)輸入到內部測試網絡中。ADC輸入端連接到內部測試網絡，ADC的兩個輸入端接收相同的信號。

共模電壓的理論RMS輸入值CMSignalRms，是從FDU的校準值中(理論電阻校準因子，DAC電流校準因子)計算出來的。

(2)CMRR共模抑制比計算

式中：Cmfactor代表來自FDU校準結果的共模電阻校準值。CMRR的結果與大地有關，與模擬地無關。測試結果以dB表示。

2.5　儀器Crosstalk串音測試

在儀器測試的結構中，該項測試用于測量FDU之間的串音。測試包括兩個步驟：在第一個步驟中，每個偶數(shù)FDU內部的測試信號發(fā)生器將一個正弦波信號(F=31.25Hz和振幅=DAC滿標的77.6%)送到測試網絡。每個奇數(shù)FDU內部的ADC轉換器就測量串入自己測試網絡的電壓。(在奇數(shù)FDU內部的測試信號發(fā)生器被禁止)相反地，在第二個步驟中，每個奇數(shù)FDU將一個正弦波信號送到測試網絡。每個偶數(shù)FDU就測量串入自己測試網絡的電壓。對每個參與測試的FDU，系統(tǒng)計算出測試信號理論電壓值與測量的實際電壓值之比，然后顯示儀器串音測試結果(限制在140dB)。

其相應的簡化電路結構如下圖4a和圖4b所示，測試時電路及參數(shù)表示：

- ADC輸入端：連接到內部測試網絡；

圖4

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用戶選擇；

- DAC：連接到內部測試網絡；

- 第一個步驟連接偶數(shù)FDU；

- 第二個步驟連接奇數(shù)FDU；

- 濾波器類型和采樣率：用戶選擇。

兩種測試序列(T1、T2)：

開始時間Tb和結束時間Te參見表1, 測量階段(Tm)的長度見下表6。

表6　FDU串音測試的時間Tm

測試原理：從第一步驟中每個奇數(shù)道采集DSP輸出的信號中和從第二步驟中每個偶數(shù)道中采集到的輸出信號中，計算出相對于輸入的RMS均方根(Vrms)值。從每個FDU測試網絡中驅動的理論值中，計算出測試信號的理論RMS均方根(TheoretRMS)儀器串音測試的計算公式如下：

串音的限值為140dB。

注意：測試需要最小的測試長度(5秒記錄@2ms采樣)。

2.6　儀器Pulse脈沖測試

該項測試用于記錄儀器道對脈沖(一個樣值長的脈沖)的響應 。

其相應的簡化電路結構如上圖3所示，測試時電路及參數(shù)表示：

-ADC輸入端：連接到內部測試RC(由電阻電容組成)網絡；

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用戶選擇；

-DAC：連接到內部測試RC網絡；

- 濾波器類型和采樣率：用戶選擇；

- 三種測試的序列(T1，T2，T3)：

開始時間Tb和結束時間Te參見表1, 測量階段的時間Tm長短見下表7。

表7　FDU脈沖測試Tm長度表

測試原理：DAC將一個前面描述的脈沖信號輸入到內部測試RC(由電阻電容組成)網絡中。在ADC上輸出端的結果信號被輸出，并記錄到測試SEGD文件。

2.7　測試記錄的恢復

SEAL完成的一些儀器測試項目(噪聲，增益和相位，畸變，共模抑制比和串音)，可以像SEGD測試文件那樣記錄在磁帶上，可以通過相應的公式從SEGD測試記錄中讀出測試數(shù)據(jù)，重新計算其測試結果并顯示在HCI工作上站或通過繪圖儀打印出來，在此不多做贅述。

3結束語

以上介紹了SEAL系統(tǒng)FDU測試方法與原理, 要正確地測量FDU, 并在儀器各類菜單中正確地填寫FDU的相關參數(shù),以便在儀器調用時,能選取數(shù)據(jù)庫中最適合FDU的參數(shù)，例如：在測試串音時測試需要最小的測試長度(5s紀錄，2ms采樣)，這樣才能有效地保證FDU測量的精度和準確性。

參考文獻：

[1]Sercel.SEALV5.2.User’sManual, 2007.

[2]AmericanPowerDesign,Inc.S5SERIES5WHIGHVOLTAGEDC/DCCONVERTERS[Z].AmericanPowerDesign,Inc.

[3]程守洙, 江之永. 普通物理學(第二冊)[M]. 北京：人民教育出版社, 1980.