基于过采样的高精度宽动态范围次声信号采集系统

李鸿征，赵 锋

(焦作大学机电工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

次声波是频率小于20 Hz的声波，其不易被水或空气吸收、也不易衰减［1］。在长期的应用中发现次声波和地震存在明显的联系，即次声波异常可以用于对地震进行预测。为了更好地应用于实践中，首先要对信号特性进行深入的分析［2］。故能够完整地还原次声传感器的采样输出信号是次声数据采集系统的核心任务，而其精度也决定了地震预报的准确度。

目前，数据采集系统主要采用先放大再滤波，最后采样量化的方式，当系统要求分辨率很高时，基于传统的方法会遇到奈奎斯特抽样速率的瓶颈问题，因为AD转换器的速度往往限制了系统的速度［3－5］。过采样技术则可以实现传统ADC无法实现的精度，其已成为中低速、高精度AD转换的常用技术，应用于诸多领域［6］。但过采样技术的使用是有一定要求的，即被采样信号的振幅需要和ADC的输入范围接近，本文研究的次声电信号为mV量级的低频信号，幅值相对稳定。由于直接使用过采样技术是无法提高转换精度的［7］，所以，首先对次声信号中的微弱信号进行放大，然后在完成采集过程。

本文利用STM32F103型单片机完成次声信号的数据采集，通过过采样技术以及可编程增益放大器AD8253动态调整增益的能力完成采样，最终完成了次声信号采集系统，从而克服了由于信号幅值过低而导致的过采样失效问题，也提高了系统的采样精度。

1 基本原理

1.1 过采样技术原理及精度提高方法分析

根据奈奎斯特定理［8］，当采样频率为fs时，可将fs一半以内的有效信号重建。……