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地震勘探中的地震儀，原前端采集系統采用采樣／保持電路+瞬時浮點放大器(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。 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。 由文獻分析可知： (1)當輸入信號Ui滿足： 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： 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實現可調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。 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。 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。 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。 |
