地震仪信号采集部分电路的设计.docx

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地震仪信号采集部分电路的设计

编号：

本科毕业论文（设计）

题目：

地震仪信号采集部分电路的设计

学院物理与电子科学学院

专业电子信息科学与技术

学号

姓　名

指导教师职称：

完成日期2011-4

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《MEMS地震仪的地震预警系统的设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月日

地震仪信号采集部分电路的设计

摘要:

研究表明地震是由于地层深处聚集的大量能量瞬间爆发引起地层表面抖动而引起的。

这种能量是以波的形式向外传播的，而地震波有分为破坏力小但传播速度快的纵波（P波）和破坏力大但传播速度慢的横波（S波）。

所以我们可以利用纵波先到达地面横波后到达地面这个原理设计一款地震波检测仪器装置捕获先到达的纵波然后在进行分析，根据地震的强弱程度不同而发出不同的预警信号。

虽然地震源的能量非常巨大，但是地震波是向四周扩散的即使没有其他的能量损耗随着地震波向四周扩散空间的增大单位面积上分得的能量也会变得非常少了，我们知道地震源离地球表面都非常的远而且地震波在经过不同的地质界面时会发生折射和反射这也会损耗一部分能量，还有地层介质本身也要吸收一些能量，能传到地层表面的信号是非常弱小的，所以难以准确检测，因此这就要求我们设计一款高性能的地震信号采集系统。

由于传统的地震仪体积大、频带窄，所以我们在原有的地震仪基础上提出了基于MEMS技术的地震仪设计方案。

MEMS加速度传感芯片1221x-002具有低频响应好、灵敏度高的优点。

然后对检测到的信号进行放大、滤波、去直流分量等处理有效的提高了信噪比。

可以再利用A/D转换器把采集到的模拟信号转换成数字信号送给单片机进行处理，单片机进行分析后得出要不要报警的结论，如果需要报警则单片机驱动蜂鸣器，蜂鸣器发出报警信号，这样人们就能够很容易的进行判断地震的发生与否，从而采取一定的措施来减小地震发生时带给人们的损失。

本论文只研究信号采集部分电路。

关键词：

加速度传感器前置放大器低通滤波去直流电路

Seismographpartofthecircuitdesignofsignalacquisition

Abstract:

Theresultsshowthatthedepthsoftheearthquakeisduetoaggregationformationburstscausedalotofenergyjittercausedbysurfaceareas.Thisenergyistospreadtheformofwaves,andseismicwavesaredividedintosmallbutdestructivewavepropagationspeed（Pwave）andthedamageisgreat,butslowwavepropagationvelocity（Swave）.SowecanusethePwaveafterwavereachesthegroundbeforereachingthegroundthisprincipletodesignadevicetocaptureseismictestingequipmenttoreachtheP-wavefirstandthentheanalysis,accordingtodifferentlevelsofseismicintensityofthedifferentwarningsignalsissued.

Althoughthesourceofenergyisverystrongearthquake,buttheseismicwaveistotheedgesevenintheabsenceofotherenergylossastheseismicwavesspreadtothesurroundingspace,increasingitsshareoftheenergyperunitareawillbecomeverysmall,andweknowthattheearthquakesourceawayfromtheEarth'ssurfaceareveryfarandseismicwavesintheinterfacethroughdifferentgeologicalrefractionandreflectionoccurswhenapartofthisenergylosswill,thereisalsoabsorbsomeoftheformationenergyofthemediumitselfandcanspreadtothesurfaceofthegroundisaveryweaksignal,itisdifficulttoaccuratelydetect,sothisrequiresustodesignahighperformanceseismicsignalacquisitionsystem.

Sincetraditionallargevolumeofseismicinstruments,narrowband,soweseismographsintheoriginalproposedbasedonMEMStechnologybasedonseismographdesign.MEMSaccelerationsensorchip1221x-002hasalowfrequencyresponseandhighsensitivityadvantages.Thenthedetectedsignalamplification,filtering,etc.totheDCcomponentofeffectivetreatmenttoimprovethesignaltonoiseratio.CanthenuseA/Dconverterstoconvertanalogsignalscollectedintoasinglechipforprocessingdigitalsignalssenttothemicrocontrollerforanalysisoftheconclusionsdrawnshouldnotalarm,thealarmiftheneedmicrocontrollerdrivesthebuzzer,thebuzzeralarmsignal,sothatpeoplecaneasilyjudgetheoccurrenceoftheearthquakeornot,totakecertainmeasurestoreducetheearthquakebroughttopeople'sloss.Thispaperisonlypartofthecircuitofsignalacquisition.

Keywords:

AccelerationsensorPreamplifierLow-passfilterTotheDCcircuit

目录

1.绪论........................................................................................4

1.1背景和意义………………………..…………………...….…………………..4

1.2主要内容……………………………………….………….…………………..4

2.信号采集系统总体设计…….…………………...…..………..………………….5

2.1单分量信号采集系统………………………..………….………………………5

2.2三分量信号采集系统……………………………..…………..…………………6

3.信号采集系统电路的设计………………………………………..……………...6

3.1传感器部分…….……………………………….……...…….…………….…..6

3.2前置放大电路…………………………………………..…....…………..……8

3.3滤波电路…………………………………………………...…………………11

3.4去直流电路…………………………………………..…….…………………13

4.结论与展望………………………………………………………………………14

5.致谢……………………………………………………………………………..15

参考文献…………………………………………………………….…………..…16

1.绪论

1.1背景和意义

众所周知地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一，我国又是一个地震多发的国家，新中国发生的两次影响较大的地震1976年的唐山地震和2008年发生的汶川地震都造成了巨大的人员伤亡和财产损失，所以设计一种能够对地震信号进行精准检测的装置显得愈发重要。

地震能给人类的生命和财产带来严重的损害和影响，而地震又是人们研究地球内部结构和分析地球演化的一种有效方法。

所以研究出性能更加优秀的地震仪能够让我们更加精准的研究地震研究地球的内部结构。

精准的地震仪能够很准确的对地震发生的时间和地点进行预警，所以开发这样的地震仪预警系统也就具有非常重要的现实意义，而要开发出这样的地震预警系统前提就要设计出性能优秀的地震信号采集系统

目前大多数的传统地震仪器多采用机械结构，这种结构的地震仪有很多缺点影响了我们对地震精确的检测程度，不能满足我们的要求，所以开发一种新型地震仪就显得非常重要了。

在这里我们首先要介绍一个新的名词MEMS。

它是Micro-Electro-MechanicalSystems英文缩写，中文称作微机电系统。

它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，MEMS由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成，具有尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强以及易批量生产等优点，是刚刚兴起的全新的技术领域。

1.2主要内容

通过对传统的地震仪的分析研究，找到一款适合地震信号检测的MEMS传感芯片，本文选择美国SDI公司生产的加速度芯片1221x-002。

分析加速度芯片1221x-002检测地震信号时的输出电压信号的特点而且地震信号又非常弱，所以必须对加速度芯片输出的地震信号进行放大处理。

必须把放大电路设在信号的最前端，因为它对后继电路具有重要的影响，我们习惯把它称为前置放大电路。

为了提高前置放大器抑制共模信号的能力，要求前置放大器具有高共模抑制比；为了提高前置放大器获取地震信号的能力，要求它具有高输入阻抗的特性；而且前置放大器的噪声也不应该很高，否则它对后继电路也有较大的影响。

地震信号的频率在0-100KHz之间，频率比较低，而地震信号在传输的过程中会不可避免的受到噪声的干扰，比如说天电干扰，还有声波干扰等，而这些干扰信号的频率都比较高相对地震信号的频率来说。

所以在把地震信号进行放大之后还应该对它进行低通滤波处理。

常用的低通滤波器有三种，它们各有优缺点，因此视实际需要的不同，可以寻求最佳的近似理想特性的滤波器。

本课题选择在高阶滤波电路中用的最多的巴特沃思有源滤波电路。

由于我们设计的地震信号采集系统需要用三个加速度传感芯片按照相互垂直的方式组装在一起，而竖直方向放置的加速度芯片由于重力加速度的作用会产生一个直流电压信号输出，经过前置放大器后会超过信号采集器的电压范围，所以需要去直流电路去除直流分量。

而其他两个水平放置的加速度传感芯片由于不会产生直流电压信号所以不需要后继的这个去直流电路。

2.信号采集系统总体设计

2.1单分量信号采集系统

由于地震信号的频率比较低，所以要求传感器具有低频响应好的特点。

本系统选用美国ADI公司生产的1221x-002加速度传感芯片作为单分量信号采集系统的传感器芯片。

由于地震信号比较弱所以需要对信号进行放大处理，这部分的工作由前置放大电路完成。

在信号传输的过程中会不可避免的受到噪声信号的干扰，而这些噪声信号多为高频信号，地震信号为低频信号所以可以对受到干扰的地震信号进行低通滤波处理，只要把前置放大器输出的地震信号输入到低通滤波器即可。

最后还要把低通滤波器输出的地震信号通过去直流电路，把直流信号去除，但在这里需要说明的是并不是所有的单分量信号采集系统都需要这一步，只有1221x-002加速度芯片能产生直流输出的单分量采集系统才需要这一步，如果没有直流信号产生则这一步不需要。

传感器

前置放大电路

去直流电路

低通滤波器

图1单分量信号采集系统结构示意图

2.2三分量信号采集系统

由于地震信号的传播是从地震源向四周以波的形式传播的，期间会发生折射、发射或衰减等现象，所以它的传播方向和路径是不固定的。

这就要求我们设计的地震信号采集系统具有能够检测到空间任意方向的地震信号，要设计出具有这种特点的地震信号采集系统就需要将三个单分量的地震信号采集系统按照图2所示竖直、东西、南北三个相互垂直方向安装在一起，这样就构成了三分量的地震信号采集系统。

三分量的采集系统能够检测到空间任意方向上的地震信号，这比单分量信号采集系统更加精准。

图2三分量传感器连接图

3.信号采集系统电路的设计

3.1传感器部分

由于天然的地震信号的频率在0~100HZ,所以我们要选择的芯片应该要求有较高的低频响应和较高的灵敏度和分辨率，我选择了1221x-002芯片。

图3是1221x-002的外部电路连接图。

当系统加速度为0时，AOP和AON输出都是+2.5v，当加速度值为正时AOP的输出将变大，而AON端的输出将变小，同理加速度值为负时AOP的值将变小AON的值将变大。

AOP和AON的输出特性曲线如图4，它们是对称的。

这种输出的方式的灵敏度要比单端输出的方式灵敏度要高一倍。

图31221x-002应用连接图

图41221x-002芯片的输入输出关系

芯片的性能：

（a）输出特性

静态（0g）特性：

正端2.5v，负端2.5v，输出0v；

量程下限（-2g）：

正端2.5-2=0.5v，负端2.5+2=4.5v，输出-4V；

量程上限（+2g）：

正端2.5+2=4.5v，负端2.5-2=0.5v，输出+4V；

（b）噪声抑制特性

设加速度输入信号产生的电压为U，噪声信号产生的电压为u，则正端输出电压为V1=2.5V+U/2+u/2，负端的输出电压为V2=2.5V-U/2+u/2,总的电压输出为V1-V2=U。

所以这种方式能够很好的抑制噪声。

3.2前置放大电路

一般情况下地震信号非常弱，而且又非常容易受到噪声信号的干扰，所以必须对检测到的信号进行放大处理。

前置放大电路对地震仪非常重要，电路对它的要求也非常高，设计前置放大电路必须满足高共模抑制比、低噪声和高输入阻抗三个方面的要求。

什么是差模和共模信号？

这是应当首先建立的重要概念。

假设Vi1和Vi2分别是用三端器件组成的差分式放大电路的输入电压信号，我们令输入电压Vi1和Vi2之差称为差模电压，用下式来定义：

Vid=Vi1-Vi2（3-1）

同理，两输入电压Vi1和Vi2的算术平均值称为共模电压，定义为

Vic=（Vi1+Vi2）/2（3-2）

当输入电压既有差模信号也有共模信号时，由式（3-1）和式（3-2）可得

Vi1=Vic+Vid/2（3-3）

Vi2=Vic-Vid/2（3-4）

由上面二式可知，两输入端的共模电压Vic的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的差模电压+Vid/2和-Vid/2的大小相等而极性则是相反的。

对于两管的差模输出电压和共模输出电压也可由下两式来表达：

Vod=Vo1-Vo2（3-5）

Voc=（Vo1+Vo2）/2（3-6）

由上式可得电路的输出电压分别为

Vo1=Voc+Vod/2（3-7）

Vo2=Voc-Vod/2（3-8）

通常，要求设计出这样一种放大器，当它放大差模电压信号时就有较高的电压增益，而对于共模电压信号则显现出低得多的电压增益。

我们常用共模抑制比作为衡量运算放大器抑制共模信号能力的一项技术指标，它的大小我们用差模信号增益和共模信号增益之比的绝对值表示

即KCMR=Avd/Avc（3-9）

由上式可见，差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制比越大，运算放大器就越能抑制共模信号，放大电路的性能越优良，因此希望KCMR越大越好。

前置放大电路的输入信号包括两部分：

一部分是地震信号（这里我们都用电压表示），它是差模电压Vid；另一部分是干扰信号，包括工频、无线电台、雷电等干扰所产生的电磁波或尖峰脉冲，通过接线电容耦合、电感耦合或交流电源线等进入放大电路，从而引入干扰电压。

所以具有高共模抑制比的前置放大电路能很好的抑制雷电等干扰信号电压，提高信噪比。

一般的运算放大器对共模信号不能很好的抑制，经过分析我们选用仪表放大器。

仪表放大器如图5所示，由图可知，它是由运放A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。

在第一级电路中，Vin1、Vin2分别加到A1和A2的AOP端，RG和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放A1、A2的两输入端形成虚短和虚断，因而有VRG=Vin1-Vin2和VRG/RG=（VR5-VR6）/（R5+R6+RG）,故得

VR5-VR6=（1+（R5+R6）/RG）（Vin1-Vin2）（3-10）

根据式（3-10）的关系，可得

Vout=-R4（VR5-VR6）/R3=-R4（1+（R5+R6）/RG）（Vin1-Vin2）/R3（3-11）

于是电路的增益为

Av=Vout/（Vin1-Vin2）=-R4（1+（R5+R6）/RG）/R3（3-12）

为了增强对称性，一般取R1=R3，R2=R4，R5=R6，于是可得

Vout=-R4（1+2R5/RG）（Vin1-Vin2）/R3

Av=-R4（1+2R5/RG）/R3

在仪表放大器中，通常R1、R2和R5为给定值，RG用可变电阻代替，调节RG的值，即可改变电压增益Av。

由于输入信号Vin1和Vin2都是从A1、A2的同相端输入，电路出现虚短和虚断现象，因而流入电路的电流等于0，所以输入电阻Ri→∞，这可以达到前置放大器要求高输入阻抗的要求。

我们在这里选用美国ADI公司生产的仪表放大器AD620，它是一款高精度的仪表放大器,如图5所示。

在实际的应用中我们可以用一个电阻去调节放大的倍数即可。

图5三运放组成的仪表放大器原理图

仪表放大器AD620具有高输入阻抗，高共模抑制比，能有效抑制信号源与传输网络阻抗不对称引入的误差，提高信噪比和系统的精度。

而且相比于其他同类产品，它的功耗也特别低。

AD620的内部由两个三极管提供一个差分对双极性输入，超β工艺还提供低于1/10的输入偏置电流。

增益减法器相对参考电位产生单端输出并且能很好的消除了共模信号。

在设计时我们把内部增益电阻器的阻值调整到24.7KΩ,所以我们可以利用一只外部增益调节电阻设置增益的大小。

增益公式为

G=49.4KΩ/RG+1（3-13）

或

RG=49.4KΩ/（G-1）（3-14）

我们把信号增益G设定为2，由式（3-14）可得

RG=49.4KΩ/（G-1）=RG=49.4KΩ/（2-1）=49.4KΩ

图61221x-002与AD620的连接图

3.3滤波电路

形成差模干扰电压的干扰源的频率一般都比较高，而我们知道地震信号的频率集中在低频部分，所以我们可以采用低通滤波电路抑制高频噪声。

巴特沃思型滤波器符合本课题的要求，所以我们选择这种滤波器作为本课题的低通滤波器。

巴特沃斯型低通滤波器的幅频特性为

式中n为滤波电路阶数，ωc为3dB截止角频率，A0为通带电压增益。

由上式可画出其归一化幅频响应曲线如图7所示，

图7n阶巴特沃思低通滤波器归一化幅频响应

由上图可见，随着阶数n的逐渐变大，其幅频特性将向理想特性逼近，巴特沃斯滤波器的低通滤波特性显著增强。

低通滤波芯片MAX280的应用

MAX280低通滤波器也是一种巴特沃斯低通滤波器，它可以通过外部的设计去除直流的成分；输入频带范围0～20kHz，±5V供电时典型噪声90μVrms，工作电流5mA。

MAX280的传递函数为

图8MAX280滤波器电路图

图8为MAX280的电路图，滤波器的截止频率由R2和C15、C16共同设定，信号从由Pin1输入、Pin7输出。

由于地震信号的频率范围是0～100Hz，所以确定滤波器的截止频率为fc=100Hz。

本系统采用MAX280内部振荡器驱动方式工作，内部振荡器的频率fosc与截止频率fc的比值关系如下:

当Div端接V+端时，fosc/fc=100；Div端接地端时，fosc/fc=200；Div端接V-端时，fosc/fc=400。

在这里，我们将Div接V+端，此时，fosc=fc*100=10kHz，又知fosc与C16的关系式如下：

fosc=140kHz[33pF/（33pF+C16）]

根据上式计算可得

C16=140KHz*33pF/fosc-33pF

电阻R2、电容C15与截止频率fc的关系式如下：

fc/1.62=1/2

R2C15

设定电阻R2=47KΩ,根据上式可得

C15=1.62/2

R2fc=55pF

3.4去直流电路

加速度芯片1221x-002水平放置时会产生直流电压信号输出，再经过放大电路信号可能超过+2.5V，所以我们需要把这个直流信号去掉。

由于仪表放大器在共模电压信号抑制特性方面表现优良且噪声较小，所以我们还是使用AD620组成去直电路，但在这里我们不对电压信号进行放大，也就是把增益设置为1。

如图9所示，根据公式（3-14）可得

RG=49.4KΩ/（G-1）=49.4KΩ/（1-1）=∞

即1脚和8脚悬空他们之间的电阻值就可以认为是无穷大。

图9去直分量电路原理图

需要说明的是只有处于竖直分量的加速度芯片才会产生直流信号，需要引入去直分量电路把直流信号消除，当加速度芯片处于水平方向时由于其加速度感应轴平行于地面不会产生直流电压信号，所以不需要引入去直分量电路。

本课题使用一个电位器W对电压进行精确校准，由于地震仪摆放的过程中不可能绝对的水平所以实验过程中直流分量会有一定的偏差，这时我们就可以用电位器W对直流分量进行校准。

按照单分量地震信号采集