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- Silvia Casado Escobar
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1 SISMÓGRAFOS - 4
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11 Estación sismológica: - Sensor (sismómetro) -Registrador (amplificador, convertidor AD, filtros, etc.) sismógrafo actualmente digitalizador + registrador = 1 única unidad generalmente (pero dos partes por separado algunos sensores llevan digitalizadores incorporados - GPS - Sistema de comunicaciones rango dinámico mejores ADC no alcanza mejores sensores!!! - Fuente de alimentación Digitalizador + registrador Reftek Sensor + digitalizador Guralp 6TD Estación sísmica, con el digitalizador al fondo. Digitalizador Quanterra 24-b
12 CONVERTIDORES ANALÓGICO-DIGITAL (ADC) clave sismología moderna: computadoras procesado/análisis nececitamos digitalización (ΔV por nº cuentas) antiguamente: paso papel-digital (mesa digitalizadora). Todavía hacemos esto para sismogramas antiguos actualmente: convertidores analógico-digital (ADC) conversión señal continua a señal discreta pérdida de información (errores en f y amplitud): - entre puntos - valores posibles limitados (cuantizados) resolución nececitamos mejora tecnología ADC para minimizar errores 2 pasos: - muestreo a intervalos discretos - evaluación señal (número) en cada muestra Figura 1. Proceso de muestreo.
13 Formas de determinar amplitud automáticamente -rampa (muy lento) -aproximaciones sucesivas (más rápido; típico para ADC s tradicionales) rango dinámico limitado (16-b) Los mejores para sismología ( rango dinámico): -Rango de ganancia: ganancia variable evita saturación (cada muestra registrada con su ganancia) + amplificador tras ADC h. 140 db -Sobremuestreo: muestreo a mayor tasa que la deseada + filtro pasabaja + remuestreo a tasa deseada aumento rango dinámico ++; límite: nivel ruido amplificador -Convertidores ΣΔ (ΣΔADC): bastante complejos (sobremuestreo + filtrado para ruido + filtrado digital) alta resolución y velocidad los más empleados actualmente
14 Problemas de información en amplitud (cuantización) ΔV nº (cuentas) en binario represent. por palabra de 2-4 bytes (1 byte = 8 bits) ( valores posibles -cuantización-) +/- ± ±2 23 ( valores) Problemas de información en f: proceso de alias en la señal discretizada (aliasing) Señal de frecuencia ω f muestreo para recuperar señal? Señal: 5 Hz Muestreos: 0.5 mu/s (roja/azul) pérdida algunos máx/mín o todos! Alias: suplantación de una señal por otra (Energia, E, en altas frecuencias transferida a frecuencias menores que realmente pueden tener E=0 creación de señales espúreas) Para reproducir bien señal inicial: muestreo a 2ω (ω recuperables tasa muestreo/2 = ω Nyquist ) Para evitar aliasing: filtrado anti-aliasing
15 Filtrado anti-aliasing señal de entrada NO debe contener E para ω > ω Ny filtro pasabaja (más pronunciado conserva más ancho banda) ADC s tradicionales filtro analógico previo digitalización Butterworth orden 8 con ω c =ω Ny /2 más n ω c más alto ~ func. rectáng. (-3 db) fácil diseño, corte suficientemente fuerte y limpio buena opción: atenuación fuerte > Hz (sólo ruido eléctrico y similar, salvo exploración) inconveniente filtros analógicos: gran desplazamiento fase, debe corregirse
16 Filtrado anti-aliasing señal de entrada NO debe contener E para ω > ω Ny filtro pasabaja (más pronunciado conserva más ancho banda) ADC s tradicionales filtro analógico previo digitalización Butterworth orden 8 con ω c =ω Ny /2 más n ω c más alto ~ func. rectáng. (-3 db) fácil diseño, corte suficientemente fuerte y limpio buena opción: atenuación fuerte > Hz (sólo ruido eléctrico y similar, salvo exploración) inconveniente filtros analógicos: gran desplazamiento fase, debe corregirse
17 Filtrado anti-aliasing ADC s con sobremuestreo filtro digital (tras digitalización) y previo a remuestreo filtros digitales: - limitados que analógicos (cálculo convolución) transición más pronunciada aumento ancho banda no desplazan fase útil digitalizador uso FIR (impulse response filter) siempre estable fácil diseño filtros lineales en fase o de fase cero (no distorsión fase) causalsólo depende de valores originales (no de los ya filtrados -IIR-)
18 PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Resolución/sensibilidad: mín. incremento detectable amplitud (ΔV) μv- (o bits) resolución efectiva limitada por nº bits libres de ruido Ganancia: cuentas/v (inverso de la resolución) Tasa muestreo: mu/s (sps) mejor que Hz mu/s sismología (h. >1000 exploración) a mayor tasa peor desempeño ADC (mal func. circuitos electróns.) Escala completa (full-scale, FS): máxima entrada (típico: ± 1-30 V) Rango dinámico: ratio máx. / mín. ΔV entrada (db o bits; ½FS: ± realmente un poco menos: 0!) valor efectivo: ratio máx. ΔV entrada / nivel ruido digitalizador valor efectivo < teórico típico: 12-b, 16-b, 18-b, 24-b (máximo actual) Nivel ruido: nº cuentas salida si entrada = 0 promedio RMS ruido sobre muchas muestras
19 PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Precisión: ΔVsalida - ΔVentrada (medida todas fuentes error) Cross talk: interacción entre diferentes canales (siempre existe algo) generalmente ruido artificial parecido en las 3 componenetes db relacionados con la FS del canal contiguo No linearidad: expresada en relación a FS (p.ej. 0.01% FS) para evitar intermodulación de dos entradas diferentes Nº de canales: actualmente se prefiere 1 ADC / canal sensor para redes analógicas a veces se usan ADC multicanal Impedancia de entrada (ohmios): tan alta como sea posible poca influencia en sensor u otro equipo conectado (~Mohmios) Error de cero (offset): nivel DC salida cuando entrada = 0 disminuye rango dinámico f(temperatura)
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