《電子技術應用》
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基于∑-△的地震采集系統前置放大器探討
摘要: 本文通過對地震信號的時間衰減性分析,對配合∑-△ A/D轉換器的前置放大器改為非線性放大電路,盡可能發揮∑-△A/D轉換器的優點,以求拓展其動態范圍,提高小信號拾取能力。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  地震勘探中的地震儀" title="地震儀">地震儀" style="color: blue; text-decoration: underline" title="地震儀">地震儀,原前端采集系統采用采樣/保持電路+瞬時浮點放大器" style="color: blue; text-decoration: underline" title="放大器">放大器(FPA)+14位逐次比較式A/D轉換,由于采樣/保持電路的平頂處理過程是為了配合FPA來實現A/D轉換的范圍擴展,但其嚴重抑制了高頻地震反射信號,現大多改進為∑-△技術來完成A/D轉換。目前使用∑-△ A/D轉換器的系統中,其前端前置放大器,在信號調理上多為線性放大器。本文通過對地震信號的時間衰減性分析,對配合∑-△ A/D轉換器的前置放大器改為非線性放大電路,盡可能發揮∑-△A/D轉換器的優點,以求拓展其動態范圍,提高小信號拾取能力。

  1 地震信號時域特征分析

  由Sinc子波改進后得到的合成模型模擬實際地震記錄,如圖1所示。

由Sinc子波改進后得到的合成模型模擬實際地震記錄

  在圖1中發現地震信號中處于能量相對集中的大信號段占了信號幅度的80%以上,而有效代表地震反射層的小信號段只能占10%以下。文獻提出一種智能程控型前置放大器,它的增益隨深度自動增大,地層深度從O.5~3.0 s,放大器的增益依次為O dB,18 dB,24 dB,30 dB,36 dB和42 dB。顯然這種處理方法對配合∑-△技術完成A/D轉換,使∑-△A/D轉換器良好的24位處理能力等優點能夠獲得到更好的體現。但這種步進式增益調整的方法,其增益調整過程中在時域信號上的切換會破壞時域信號的連續性,而對于采用超采樣技術的∑-△A/D轉換器,會產生信號的畸變,使數據恢復回放過程產生干擾。由于其采用了固定時段的增益切換,不能將切換產生的干擾視同噪聲,故無法在∑-△A/D轉換器的數字濾波過程完成抑制處理。

  這樣,問題變為如何在保證時域波形連續性的條件下,使前置放大器在信號調理上能夠對大、小信號不以同一增益進行放大,且大小信號的分界點可以通過自動確知性設定。

  2 電路方案與電路原理

  基于以上問題,本文提出非線性前置信號調理的方法,非線性放大電路的原理圖如圖2所示。

非線性放大電路的原理圖

  由文獻分析可知:

  (1)當輸入信號Ui滿足:公式時,U0<|EX+1.2 |,D1,D2均不導通,這時電路的放大倍數為:Av1=-16。

  (2)當輸入信號Ui滿足:公式時,U0>|EX+1.2|,D1,D2均導通,這時電路的放大倍數為:Av2=Av2’=-1。

  (3)可調變的EX,可以對Ui設定不同的大小信號放大限幅范圍,同時對大信號輸入與輸出依然保持了線性關系,不會丟失大信號中的有效成分。

  3 含單片機、DAC" title="DAC">DAC" style="color: blue; text-decoration: underline" title="DAC">DAC實現可調EX的電路

  系統整體Proteus" title="Proteus">Proteus" style="color: blue; text-decoration: underline" title="Proteus">Proteus仿真電路如圖3所示,圖中單片機Ul采用了AT89C51,通過AT89C51的P2口對U2 DAC0808置入不同的8位數據(A1,A2,…,A8),實現前述非線性放大電路中EX的步進設置。

系統整體Proteus仿真電路

  由DAC0808參數手冊可知:

  由運放U3輸出。為產生對應的-EX,電路中通過U4對EX進行1:1的反向放大。在AT89C51對EX步進調整時,-EX同步改變。為便于觀察EX,-EX的變化情況,在U3,U4的輸出端設置了直流電壓表測試相應輸出直流電壓值。

  運放U5配合R8,R9,…,R13為非線性放大電路單元,為在虛擬條件下完成電路的仿真測試,在該單元的輸入端設置了仿真信號源,輸出端設置了仿真示波器(示波器的A通道接輸出端,B通道接信號源,便于波形比較)。

  AT89C51單片機U1的P0.O外接按鍵開關,用來改變單片機對U2DAC0808的數據置入。

  這里借助由C5,C6,R17,R20~R23組成的電路,實現仿真地震信號中的大、小信號,引入前置差分放大電路。為了突出處理效果,將電路中的R9提高一倍,改為32 kΩ,這樣小信號的放大倍數為32倍。

  4 Proteus下的電路仿真調試與特性測試

  這里單片機程序只是用來改變EX值,故省略。以1 V,占空比為10%,頻率為10 Hz的正弦波仿真大信號;10 mV峰值,頻率為200 Hz的正弦波仿真小信號。由C5,C6,R17,R20~R23組成的電路仿真地震信號。在EX=O.07 V下測得波形如圖4所示。

在EX=O.07 V下測得波形

  由圖4波形知原始大小信號的幅度比約為:O.6/4.8=0.125(O.6為小信號幅度,4.8為大信號幅度),經過非線性放大電路處理后大小信號的幅度比變為:2/8.1=0.247,可見小信號的幅度所占比例明顯提高,即小信號增益高于大信號。如圖5所示為仿真軟件Proteus運行情況。

仿真軟件Proteus運行情況

  5 結語

  由以上的仿真實驗結果可以看出,本文原理能夠得到很好的驗證。實驗中發現EX的預設對大小信號的切換電平有直接影響。由于這里EX的設定可以確定大、小信號增益的切換點,同時電路中大、小信號的增益值由電路確定,使得經由∑-△A/D轉換器所得數據在回放過程進行反處理后,能夠實現小信號動態范圍的擴展。

 

  本文提出的想法實現的是兩段不同信號幅度的非線性增益調整,是否能夠基于此原理實現三段,甚至多段類似折線化增益非線性調整方式,使得類似時域特征信號的采集更精確。從而使地震剖面資料的細部特征更加完善,促進石油勘探“走向精確勘探的道路”。本文的研究提供了一種可行的方法,這也是下一步研究的方向。

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