基于∑-△的地震采集系統(tǒng)前置放大器探討
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地震勘探中的地震儀，原前端采集系統(tǒng)采用采樣／保持電路+瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(FPA)+14位逐次比較式A／D轉(zhuǎn)換，由于采樣／保持電路的平頂處理過程是為了配合FPA來實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的范圍擴(kuò)展，但其嚴(yán)重抑制了高頻地震反射信號，現(xiàn)大多改進(jìn)為∑-△技術(shù)來完成A／D轉(zhuǎn)換。目前使用∑-△ A／D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，其前端前置放大器，在信號調(diào)理上多為線性放大器。本文通過對地震信號的時(shí)間衰減性分析，對配合∑-△ A／D轉(zhuǎn)換器的前置放大器改為非線性放大電路，盡可能發(fā)揮∑-△A／D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，以求拓展其動態(tài)范圍，提高小信號拾取能力。
1 地震信號時(shí)域特征分析
由Sinc子波改進(jìn)后得到的合成模型模擬實(shí)際地震記錄，如圖1所示。
在圖1中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(shù)完成A／D轉(zhuǎn)換，使∑-△A／D轉(zhuǎn)換器良好的24位處理能力等優(yōu)點(diǎn)能夠獲得到更好的體現(xiàn)。但這種步進(jìn)式增益調(diào)整的方法，其增益調(diào)整過程中在時(shí)域信號上的切換會破壞時(shí)域信號的連續(xù)性，而對于采用超采樣技術(shù)的∑-△A／D轉(zhuǎn)換器，會產(chǎn)生信號的畸變，使數(shù)據(jù)恢復(fù)回放過程產(chǎn)生干擾。由于其采用了固定時(shí)段的增益切換，不能將切換產(chǎn)生的干擾視同噪聲，故無法在∑-△A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波過程完成抑制處理。
這樣，問題變?yōu)槿绾卧诒ＷC時(shí)域波形連續(xù)性的條件下，使前置放大器在信號調(diào)理上能夠?qū)Υ蟆⑿⌒盘柌灰酝辉鲆孢M(jìn)行放大，且大小信號的分界點(diǎn)可以通過自動確知性設(shè)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(diào)理的方法，非線性放大電路的原理圖如圖2所示。
由文獻(xiàn)分析可知：
(1)當(dāng)輸入信號Ui滿足：
時(shí)，U0|EX+1．2 |，D1，D2均不導(dǎo)通，這時(shí)電路的放大倍數(shù)為：Av1=-16。
(2)當(dāng)輸入信號Ui滿足：
時(shí)，U0>|EX+1．2|，D1，D2均導(dǎo)通，這時(shí)電路的放大倍數(shù)為：Av2=Av2’=-1。
(3)可調(diào)變的EX，可以對Ui設(shè)定不同的大小信號放大限幅范圍，同時(shí)對大信號輸入與輸出依然保持了線性關(guān)系，不會丟失大信號中的有效成分。
3 含單片機(jī)、DAC實(shí)現(xiàn)可調(diào)EX的電路
系統(tǒng)整體Proteus仿真電路如圖3所示，圖中單片機(jī)Ul采用了AT89C51，通過AT89C51的P2口對U2 DAC0808置入不同的8位數(shù)據(jù)(A1，A2，…，A8)，實(shí)現(xiàn)前述非線性放大電路中EX的步進(jìn)設(shè)置。
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