|
地震勘探中的地震儀，原前端采集系統采用采樣／保持電路+瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(FPA)+14位逐次比較式A／D轉換，由于采樣／保持電路的平頂處理過(guò)程是為了配合FPA來(lái)實(shí)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(jìn)為∑-△技術(shù)來(lái)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(xiàn)性放大器。本文通過(guò)對地震信號的時(shí)間衰減性分析，對配合∑-△ A／D轉換器的前置放大器改為非線(xiàn)性放大電路，盡可能發(fā)揮∑-△A／D轉換器的優(yōu)點(diǎn)，以求拓展其動(dòng)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(dòng)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轉換，使∑-△A／D轉換器良好的24位處理能力等優(yōu)點(diǎn)能夠獲得到更好的體現。但這種步進(jìn)式增益調整的方法，其增益調整過(guò)程中在時(shí)域信號上的切換會(huì )破壞時(shí)域信號的連續性，而對于采用超采樣技術(shù)的∑-△A／D轉換器，會(huì )產(chǎn)生信號的畸變，使數據恢復回放過(guò)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(wú)法在∑-△A／D轉換器的數字濾波過(guò)程完成抑制處理。 這樣，問(wèn)題變?yōu)槿绾卧诒ＷC時(shí)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(jìn)行放大，且大小信號的分界點(diǎn)可以通過(guò)自動(dòng)確知性設定。 2 電路方案與電路原理 基于以上問(wèn)題，本文提出非線(xiàn)性前置信號調理的方法，非線(xiàn)性放大電路的原理圖如圖2所示。 由文獻分析可知： (1)當輸入信號Ui滿(mǎn)足： 時(shí)，U0＜|EX+1．2 |，D1，D2均不導通，這時(shí)電路的放大倍數為：Av1=-16。 (2)當輸入信號Ui滿(mǎn)足： 時(shí)，U0＞|EX+1．2|，D1，D2均導通，這時(shí)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(shí)對大信號輸入與輸出依然保持了線(xiàn)性關(guān)系，不會(huì )丟失大信號中的有效成分。 3 含單片機、DAC實(shí)現可調EX的電路 系統整體Proteus仿真電路如圖3所示，圖中單片機Ul采用了AT89C51，通過(guò)AT89C51的P2口對U2 DAC0808置入不同的8位數據(A1，A2，…，A8)，實(shí)現前述非線(xiàn)性放大電路中EX的步進(jìn)設置。 由DAC0808參數手冊可知： 由運放U3輸出。為產(chǎn)生對應的-EX，電路中通過(guò)U4對EX進(jìn)行1：1的反向放大。在A(yíng)T89C51對EX步進(jìn)調整時(shí)，-EX同步改變。為便于觀(guān)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(xiàn)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(kāi)關(guān)，用來(lái)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(shí)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(lái)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。 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(jīng)過(guò)非線(xiàn)性放大電路處理后大小信號的幅度比變?yōu)椋?／8．1=0．247，可見(jiàn)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。 5 結語(yǔ) 由以上的仿真實(shí)驗結果可以看出，本文原理能夠得到很好的驗證。實(shí)驗中發(fā)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(diǎn)，同時(shí)電路中大、小信號的增益值由電路確定，使得經(jīng)由∑-△A／D轉換器所得數據在回放過(guò)程進(jìn)行反處理后，能夠實(shí)現小信號動(dòng)態(tài)范圍的擴展。 本文提出的想法實(shí)現的是兩段不同信號幅度的非線(xiàn)性增益調整，是否能夠基于此原理實(shí)現三段，甚至多段類(lèi)似折線(xiàn)化增益非線(xiàn)性調整方式，使得類(lèi)似時(shí)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(jìn)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。 |
