專利名稱：用于地球物理勘探的地震數據采集板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地球物理勘探領域，尤其是涉及一種用于地球物理勘探的地震數據采集板。
背景技術：
地震數據采集與記錄系統是石油地震勘探中最為關鍵的設備，地震勘探作業要求不失真的接收記錄地震波，地震數據采集與記錄系統必須具有大動態范圍、低噪音、低漂移、寬頻帶和壓制干擾波等能力；因此前端的采集板功能是否完善，記錄數據質量的好壞直接關系到最終采集數據的品質。
現有地震數據采集與記錄系統的采集板，由于其采用傳統的軟件計算方式，即微控制器處理方式，所以運算速度不高，而且由于采用傳統的電子元器件和設計方法，所以設備陳舊，難以完成高精度高分辨率的地震勘探。因而，傳統地震數據采集板的性能無法滿足更高性能指標的地震勘探要求，難以采集到品質高的地震數據資料。
實用新型內容本實用新型需要解決的技術問題是提供一種用于地球物理勘探的地震數據采集板，采用該地震數據采集板，能提高數據采集的運算速度，實現高精度高分辨率的地震勘探，并且采集到品質高的地震數據資料。
為了解決上述技術問題，本實用新型提供了所述地震數據采集板分為兩個部分，第一部分上設置有地震數據采集接口、與地震數據采集接口相連的前置放大器模塊、與前置放大器模塊相連的選擇控制模塊、為前置放大器模塊和選擇控制模塊供電的模擬電源，第二部分上設置有地震數據采集套片、與地震數據采集套片相連的現場可編程邏輯門陣列、分別與地震數據采集套片和現場可編程邏輯門陣列相連接且提供時鐘信號的時鐘源、為地震數據采集套片和現場可編程邏輯門陣列供電的數字電源、以及與現場可編程邏輯門陣相連且用于與外部設備進行通信的通信接口，在兩部分之間設置有用于相互通信的接插件。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述前置放大器模塊采用兩級放大器結構，其中第一級放大器用于收集壓電傳感器的信號，第二級放大器則用于實現差分信號到單端信號的轉換以及增益選擇。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述第一級放大器采用差分輸入輸出方式，由結構相同的正信號通道和負信號通道組成，且每個通道均包括由集成運放、輸入電阻、反饋電阻和反饋電容構成，其中反饋電容采用金屬化聚碳酸酯電容器，電容量精度為1％，容量值為0.27μF。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述第二級放大器采用差分輸入單向輸出的方式，由正信號通道、負信號通道和集成運放組成，每個通道均由模擬多路開關、輸入電阻、匹配電阻構成，正信號通道與集成運放的反向端相連，負信號通道與集成運放的正向端相連，并且正向通道的模擬多路開關輸出端與第二級放大器的輸出信號端相連，反向通道的模擬多路開關輸出端接地；模擬多路開關根據接收到的增益控制信號選擇相應的匹配電阻，從而實現增益選擇。
進一步地，本實用新型還具有如下特點該采集板采用雙層扣板結構，所述第一部分和第二部分的模塊分別設置在其中的一層扣板上。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述時鐘源采用32.768MHz的晶振，其輸出32.768MHz的時鐘信號至現場可編程邏輯門陣列以及地震數據采集套片中的CS5376A芯片。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述CS5376A芯片將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻后，輸出2.048MHz的時鐘信號至CS5372芯片，現場可編程邏輯門陣列可將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻后，輸出1.024MHz的時鐘信號至通信接口。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述地震數據采集套片采用由美國凌云邏輯公司的CS4373、CS5376A和CS5372芯片構成的專用地震數據采集套片。
進一步地，本實用新型還具有如下特點所述現場可編程邏輯門陣列可實現上行數據格式轉換、下行控制信號的接收和處理，其中下行控制信號的接收和處理包括模擬門控制、自檢波形產生、控制地震數據采集套片的配置和命令解析等功能。
與現有技術相比，本實用新型具有以下優點本實用新型充分應用現代電子技術，更多采用高速現場可編程邏輯門陣列的硬件邏輯設計替代傳統的軟件計算，并且采用并行數據處理與流水線結構電路設計，大大提高了數據采集的運算速度；此外，本實用新型還采用性能優良的專用地震采集套片，使本地震數據采集板具有大動態范圍、系統噪音低、道間串擾小、諧波畸變小、共模抑制比高等優點，基于地震勘探的特性要求，本實用新型可以實現高精度高分辨率的地震勘探，并且能采集到品質高的地震數據資料。
圖1是本實用新型中一層扣板的結構示意圖；圖2是本實用新型中另一層扣板的結構示意圖；圖3是本實用新型中第一級放大器的結構示意圖；圖4是本實用新型中第二級放大器的結構示意圖；圖5是本實用新型中模數轉換模塊和接口模塊的結構示意圖；圖6是本實用新型中時鐘分配圖；圖7是本實用新型中現場可編程邏輯門陣列所轉換上行數據的格式；圖8是本實用新型中現場可編程邏輯門陣列的功能模塊示意圖。
圖9是本實用新型中電壓分布情況示意圖。
具體實施方式
為深入了解本實用新型，
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型進行詳細說明。
本實用新型用于地球物理勘探的地震數據采集板采用雙層扣板結構，在雙層扣板之間設置有用于雙層扣板相互通信的接插件。一層扣板上設置有地震數據采集接口、前置放大器模塊、選擇控制模塊和模擬電源，如圖1所示，其中，地震數據采集接口(圖上未顯示)與前置放大器模塊相連，前置放大器模塊采用兩級放大器結構，其中第一級放大器用于收集壓電傳感器的信號，第二級放大器則用于實現差分信號到單端信號的轉換以及增益選擇，選擇控制模塊包括模擬多選開關和控制模塊，用于控制前置放大器模塊。
如圖3所示，第一級放大器采用差分輸入輸出方式，由結構相同的正信號通道和負信號通道組成，且每個通道均包括由集成運放、輸入電阻、反饋電阻Rf和反饋電容Cf構成。該電路的特點是輸出電壓和運算放大器的開環增益無關，只決定于壓電傳感器收集到的電荷Q和反饋電容Cf的大小，具有極好的穩定性。為了得到必要的測量精度，要求反饋電容具有很好的溫度穩定性和時間穩定性。本實施例中，反饋電容采用電容量精度1％且容量值為0.27uF的金屬化聚碳酸酯電容器，可以滿足測量的需要。反饋電阻Rf實現直流反饋功能，可以減小零漂，使放大器工作穩定。此外，TS+和TS-指自檢測試信號輸入。
如圖4所示，第二級放大器采用差分輸入單向輸出的方式，由正信號通道、負信號通道和集成運放組成，每個通道均由模擬多路開關、輸入電阻、匹配電阻構成，正信號通道與集成運放的反向端相連，負信號通道與集成運放的正向端相連，并且正向通道的模擬多路開關輸出端與第二級放大器的輸出信號端SIGNAL_OUT相連，反向通道的模擬多路開關輸出端接地；模擬多路開關的控制端C1、C2接收來自于選擇控制模塊的增益控制信號GAIN_CONTROL，并根據該增益控制信號選擇相應的匹配電阻，實現增益選擇。
如圖2和圖5所示，另一層扣板上設置有專用地震數據采集套片、FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程邏輯門陣列)、時鐘源、數字電源和通信接口，其中，專用地震數據采集套片由美國凌云邏輯公司(CirrusLogic Inc.)的CS4373、CS5376A和CS5372芯片構成，CS4373芯片是高度集成的差分輸出數模轉換器(DAC)，適用于測試高精度的低頻測量系統，具有小體積、低功耗、可選衰減、多輸出及可編程測試模式等特點；CS5372芯片是用于地球物理學和聲納設備的單通道和雙通道4階Delta-Sigma調制器，與現有工業調制器標準相比，其具有更高的動態范圍、更低的總諧波失真和極低的消耗功率；CS5376A芯片是多功能的數字濾波芯片，可以為至多4個Delta-Sigma模塊實現有效濾波，因此，通過將CS5376A芯片、CS5372芯片的Delta-Sigma模塊和CS4373的Delta-Sigma測試數模轉換器(DAC)相結合，可實現同步高分辨率多通道測量，大大提高地震勘探的測試性能。
圖2中，DAC由CS4373芯片實現，該DAC與FPGA相連；ADC由兩片CS5372芯片實現，其與數字濾波模塊相連；數字濾波模塊由CS5376A芯片實現，其分別與FPGA和存儲器模塊(ROM)相連；FPGA采用美國阿爾特拉的芯片，EPC為該FPGA的配置閃存；通信接口采用RS485電纜接口。
圖5中，DC_DC Regulator為直流電源轉換模塊，用于將375V直流到12V直流的轉換，REF為CS5372芯片的參考配置電壓，EEPROM為電可擦寫只讀存儲器，用于配置CS5376A芯片，本實用新型中采用兩片CS5372芯片進行4個通道數據采集，CS5376A芯片對兩片CS5372芯片進行控制，而FPGA分別控制CS5376A芯片和RS485電纜接口。
本實施例中，時鐘源采用32.768MHz的晶振，如圖6所示，其輸出32.768MHz的時鐘信號至FPGA以及CS5376A芯片，CS5376A芯片將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻后，由MCLK端口輸出2.048MHz的時鐘信號至CS5372芯片；FPGA將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻得到內部時鐘信號，該內部時鐘信號的頻率包括有1.024MHz，2.048MHz，4.096MHz和16.384MHz；FPGA輸出1.024MHz的時鐘信號至RS485電纜接口，使得RS485電纜接口的傳輸時鐘頻率為1.024MHz；另外的內部時鐘信號分別提供給本實用新型中的其它模塊。
而且，CS5376A芯片上SPI1(Serial Peripheral Interface 1，串行外圍接口模塊1)的SCK1端口的時鐘頻率缺省值為1.024MHz；SPI2(SerialPeripheral Interface 2，串行外圍接口模塊2)的SCK2端口的時鐘頻率可選32KHz、128KHz、512KHz、1.024MHz、2.048MHz和4.096MHz幾種；測試比特流時鐘模塊(Test Bit Stream Clock)的TBCLK端口的時鐘頻率為CS5376A芯片內部時鐘頻率的1/8，最大值為2.048MHz；串行數據端口模塊(Serial Data Port)的SDCLK端口由外部設備提供時鐘信號，頻率可為62.5Hz～4K OWR(字輸出速率)。
本實用新型中FPGA可用于實現上行數據格式轉換、下行控制信號的接收和處理，如圖8所示，該FPGA的功能子模塊包括有數據格式轉換子模塊、數字濾波芯片控制子模塊、自檢波形產生子模塊、命令解析子模塊和模擬門及其他控制子模塊。其中，上行數據格式轉換是指FPGA將采集到數據轉換成如圖7所示的UART(通用異步接收/發送)格式數據，并且通過RS485電纜接口傳輸到數字包的傳輸板，比特流時鐘為1MHz；下行控制信號的接收和處理指模擬門控制(即為調節放大器增益和自檢控制等)，控制專用地震數據采集套片的配置(即控制EEPROM的讀寫以配置CS5376芯片和RESET等功能)，產生自檢波形(即其與DAC共同作用提供自檢測試信號)，以及完成各種自檢模式的命令解析。其中，自檢用正弦信號是由FPGA中數字信號經DAC數模轉換后得到，然后輸出至前置放大器第一級放大中TS+、TS-輸入端，本系統中與自檢控制有關的命令信號如表1所示。
表1自檢控制信號類別表
本實用新型中模擬電源采用線性電源芯片，將輸入的±12V電壓轉換為±8V、±3V、+5V的模擬電壓；數字電源采用開關電源芯片，將±12V電壓轉換為+1.5V、+3.3V、+3V、+5V的數字電壓。
如圖9所示，采用LT3765芯片將12V的輸入電壓轉換為5V的數字電壓，輸出至RS485電纜接口芯片和MAX1972芯片，再經MAX1972芯片的轉換分別輸出3.3V和1.5V的數字電壓至FPGA，其中3.3V的數字電壓還分別輸出至DAC和數字濾波芯片。采用LM78M08芯片將12V的輸入電壓轉換為8V的模擬電壓，經78M05芯片后轉換為5V的模擬電壓輸出至DAC，此外采用LM79M08芯片將-12V的輸入電壓轉換為-8V的模擬電壓，于是將±8V的模擬電壓輸出至前置放大器模塊；8V的模擬電壓經LM1086芯片后轉換為3V的模擬電壓，-8V的模擬電壓經LM337芯片后轉換為-3V的模擬電壓，故將±8V的模擬電壓輸出至ADC；將3V的模擬電壓接電感后轉換為3V的數字電壓并分別輸出至數字濾波芯片和ADC。
權利要求1.一種用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述地震數據采集板分為兩個部分，第一部分上設置有地震數據采集接口、與地震數據采集接口相連的前置放大器模塊、與前置放大器模塊相連的選擇控制模塊，以及為前置放大器模塊和選擇控制模塊供電的模擬電源，第二部分上設置有地震數據采集套片、與地震數據采集套片相連的現場可編程邏輯門陣列、分別與地震數據采集套片和現場可編程邏輯門陣列相連接且提供時鐘信號的時鐘源、為地震數據采集套片和現場可編程邏輯門陣列供電的數字電源，以及與現場可編程邏輯門陣相連且用于與外部設備進行通信的通信接口，在兩部分之間設置有用于相互通信的接插件。
2.根據權利要求1所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述前置放大器模塊采用兩級放大器結構，其中第一級放大器用于收集壓電傳感器的信號，第二級放大器則用于實現差分信號到單端信號的轉換以及增益選擇。
3.根據權利要求2所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述第一級放大器采用差分輸入輸出方式，由結構相同的正信號通道和負信號通道組成，且每個通道均包括由集成運放、輸入電阻、反饋電阻和反饋電容構成。
4.根據權利要求3所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述反饋電容采用金屬化聚碳酸酯電容器，電容量精度為1％，容量值為0.27μF。
5.根據權利要求2所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述第二級放大器采用差分輸入單向輸出的方式，由正信號通道、負信號通道和集成運放組成，每個通道均由模擬多路開關、輸入電阻、匹配電阻構成，正信號通道與集成運放的反向端相連，負信號通道與集成運放的正向端相連，并且正向通道的模擬多路開關輸出端與第二級放大器的輸出信號端相連，反向通道的模擬多路開關輸出端接地；模擬多路開關根據接收到的增益控制信號選擇相應的匹配電阻，從而實現增益選擇。
6.根據權利要求1所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于該采集板采用雙層扣板結構，所述第一部分和第二部分的模塊分別設置在其中的一層扣板上。
7.根據權利要求1所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述時鐘源采用32.768MHz的晶振，其輸出32.768MHz的時鐘信號至現場可編程邏輯門陣列以及地震數據采集套片中的CS5376A芯片。
8.根據權利要求7所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述CS5376A芯片將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻后，輸出2.048MHz的時鐘信號至CS5372芯片，現場可編程邏輯門陣列可將接收到的32.768MHz時鐘信號進行分頻后，輸出1.024MHz的時鐘信號至通信接口。
9.根據權利要求8所述的用于地球物理勘探的地震數據采集板，其特征在于所述地震數據采集套片采用由美國凌云邏輯公司的CS4373、CS5376A和CS5372芯片構成的專用地震數據采集套片。
專利摘要本實用新型公開了一種用于地球物理勘探的地震數據采集板，它分為兩部分，第一部分上設置有地震數據采集接口、前置放大器模塊、選擇控制模塊和模擬電源，第二部分上設置有地震數據采集套片、現場可編程邏輯門陣列、時鐘源、數字電源和通信接口，在兩部分之間設置有相互通信用的接插件，前置放大器模塊采用兩級放大器結構，通信接口采用RS485電纜接口，現場可編程邏輯門陣列可實現上行數據格式轉換、下行控制信號的接收和處理。采用該地震數據采集板，能提高數據采集的運算速度，實現高精度高分辨率的地震勘探，并且采集到品質高的地震數據資料。
文檔編號G01V1/22GK2809660SQ200520016900
公開日2006年8月23日 申請日期2005年4月19日 優先權日2005年4月19日
發明者朱耀強, 宋克柱, 湯家駿, 何正淼, 唐世悅, 王超 申請人:中海油田服務股份有限公司, 中海石油研究中心
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
