A/Dコンバータのハイブリッド利用による広ダイナミックレンジのデータロガーの開発 Development of a New Data Logger with Large Dynamic-range Using Hybrid System of A/D Converters

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Abstract

深い地盤構造を知りたいといった目的で行われる微動探査において必要とされる長周期領域の微動の振幅は短周期領域のそれに比べて非常に小さい。しかも,長周期領域ではアナログ回路が持つ1/f ノイズの影響を大きくうけるため,高価で高性能な機器を用いてさえも十分なS/N(信号ノイズ比) をもって観測することが困難な場合もある。<br> このような問題を解決するために,長周期領域でも十分な分解能およびS/N を有する超低ノイズフロア,超高分解能のデータロガーを開発した。A/D コンバータ(以下,ADC)には近年低コスト化が著しい24bit のΔΣ 型を採用した。また,1 成分あたり3 チャンネルのADC を用いて,1 倍ゲイン(利得),256 倍ゲインの信号を並行して記録するとともに,同時に入力を短絡してデータロガーの電源リップルノイズも記録する,というハイブリッド方式を採用した。1 倍ゲインおよび256 倍ゲインの記録を組み合わせることで小さな入力信号から大振幅までADC の変換ノイズの少ない部分だけを用いて理論上で32bit相当の広ダイナミックレンジと高い分解能を確保しつつ,長周期領域における大幅なノイズ低減を目指した。特に,電源リップルノイズを信号から減算するという処理を行うことで,ノイズフロアの大幅な低下に成功した。<br> データロガーの試作機を作成し,微動レベルが低い地域で実際にセンサーを接続してデータを取得し,開発したデータロガーの性能について検討した。その結果,単なる256倍ゲインの場合に比べて,本研究で提案するシステムでは長周期領域で30 倍以上S/N が拡大し,実効値で5 bit 程度ものダイナミックレンジの拡大を実現した。

A new data logger is developed to use for microtremor measurement. Especially, to know the deep structure, we need to handle microtremors in low frequency range: that is, lower than 1 Hz. In this frequency range, not only power of microtremors is very small, but the sensitivity of sensor is generally critical. A data logger with very low noise and high resolution is required for this purpose. Of course, we can find very expensive systems with high performance in noise and resolution, though, they are not so suitable for the microtremor survey, usually. We, thus, introduce some traditional but new features and complete a new system. Basic performances of the new systems are examined and discuss the aplicability to microtremor observations. Consequently, the noise is reduced to about 30 to 36 dB (5 to 6 bits) and the overall dynamic range is more than 170 dB (29 bits).

Journal

  • Journal of Japan Association for Earthquake Engineering

    Journal of Japan Association for Earthquake Engineering 11(3), 59-72, 2011

    JAPAN ASSOCIATION FOR EARTHQUAKE ENGINEERING

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