基于Σ-Δ的地震采集系统前置放大器探讨

　　摘 要:作为石油勘探中使用的地震数据采集系统,目前主要采用Σ-Δ技术完成A/D转换。而其在整个电压范围内,依线性要求,地震数据采集中的时域起始段大信号与时域后段反射层的小信号,共用同一增益的前置信号放大器,因前置放大器对大信号不能过载,限制了小信号在前端采集时的放大处理。为了更好地在小信号放大上发挥Σ-Δ A/D转换器的强噪声抑制能力、良好的24位处理能力,通过信号分析,提出采用非线性前置放大器的方法,对大、小信号的增益分别处理,并完成了相应的仿真设计。
　　关键词:数据采集; Σ-Δ; 非线性放大; 单片机; 限幅; 运放; DAC0808; PROTEUS
　　中图分类号:TP316 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)11-0100-03
　　
　　Discussion on Σ-Δ Technology-basedPre-amplifier of Seismic Data Acquisition System
　　YU A-ling
　　(Shantou Polytechnic College, Shantou 515041, China)
　　Abstract: Σ-Δ technology is normally adopted for A/D conversion who as the seismic data acquisition systems used in oil exploration. For the entire working voltage coverage of the A/D conversion, a common pre-amplifier with the same gain is shared with time-domain large-signals in the initial segment of seismic data acquisition, and small-signals from the rear section of time-domain reflecting layer depending on its linearity requirements. The amplification of small signals during the front-end data acquisition could be limited accordingly due to the consideration that the pre-amplifier should avoid being over-loaded by the large-signals. An approach to the non-linear pre-amplifier for seismic data acquisition systems by means of signal analysis is proposed, in order to improve the performance for small-signal amplification, taking better advantage of the strong noise suppression and excellent 24 b processing capability of the Σ-Δ technology-based A/D converters. Methods to handle gains for both large and small-signals are discussed respectively, the corresponding simulation results are provided as well.
　　Keywords: data acquisition; Σ-Δ; non-linear amplification; single-chip microprocessor; amplitude-limitation; operational amplifier; DAC0808; PROTEUS
　　
　　0 引 言
　　地震勘探中的地震仪,原前端采集系统采用采样/保持电路+瞬时浮点放大器(FPA)+14位逐次比较式A/D转换,由于采样/保持电路的平顶处理过程是为了配合FPA来实现A/D转换的范围扩展,但其严重抑制了高频地震反射信号,现大多改进为Σ-Δ技术来完成A/D转换。目前使用Σ-Δ A/D转换器的系统中,其前端前置放大器,在信号调理上多为线性放大器。本文通过对地震信号的时间衰减性分析,对配合Σ-Δ A/D转换器的前置放大器改为非线性放大电路,尽可能发挥Σ-Δ A/D转换器的优点,以求拓展其动态范围,提高小信号拾取能力。
　　1 地震信号时域特征分析
　　由Sinc 子波改进后得到的合成模型模拟实际地震记录,如图1所示[1-2]。
　　图1 模拟实际地震记录
　　在图1中发现地震信号中处于能量相对集中的大信号段占了信号幅度的80%以上,而有效代表地震反射层的小信号段只能占10%以下。文献[3]提出一种智能程控型前置放大器,它的增益随深度自动增大,地层深度从0.5～3.0 s,放大器的增益依次为0 dB,18 dB,24 dB,30 dB,36 dB和42 dB [3]。显然这种处理方法对配合Σ-Δ技术完成A/D转换,使Σ-Δ A/D转换器良好的24位处理能力等优点能够获得到更好的体现。但这种步进式增益调整的方法,其增益调整过程中在时域信号上的切换会破坏时域信号的连续性,而对于采用超采样技术的Σ-Δ A/D转换器,会产生信号的畸变,使数据恢复回放过程产生干扰。由于其采用了固定时段的增益切换,不能将切换产生的干扰视同噪声,故无法在Σ-Δ A/D转换器的数字滤波过程完成抑制处理[4]。
　　这样,问题变为如何在保证时域波形连续性的条件下,使前置放大器在信号调理上能够对大、小信号不以同一增益进行放大,且大小信号的分界点可以通过自动确知性设定。
　　2 电路方案与电路原理
　　基于以上问题,本文提出非线性前置信号调理的方法,非线性放大电路的原理图如图2所示。
　　由文献[5]分析可知:
　　(1) 当输入信号Ui满足:Ui　　(2) 当输入信号Ui满足:Ui>EX+1.2Av1时,Uo>EX+1.2,D1,D2均导通,这时电路的放大倍数为:Av2=Av2′=-1。
　　(3) 可调变的EX,可以对Ui设定不同的大小信号放大限幅范围,同时对大信号输入与输出依然保持了线性关系,不会丢失大信号中的有效成分。
　　图2 非线性放大电路
　　3 含单片机、DAC实现可调EX的电路
　　系统整体Proteus仿真电路如图3所示,图中单片机U1采用了AT89C51,通过AT89C51的P2口对U2 DAC0808置入不同的8位数据(A1,A2,…,A8),实现前述非线性放大电路中EX的步进设置。
　　图3 仿真电路图
　　由DAC0808参数手册[6]可知:
　　
　　EX=VrefA12+A24+…+A8256=
　　 10A12+A24+…+A8256
　　由运放U3输出。为产生对应的-EX,电路中通过U4对EX进行1∶1的反向放大。在AT89C51对EX步进调整时,-EX同步改变。为便于观察EX,-EX的变化情况,在U3,U4的输出端设置了直流电压表测试相应输出直流电压值。
　　运放U5配合R8,R9,…,R13为非线性放大电路单元,为在虚拟条件下完成电路的仿真测试,在该单元的输入端设置了仿真信号源,输出端设置了仿真示波器(示波器的A通道接输出端,B通道接信号源,便于波形比较)。
　　AT89C51单片机U1的P0.0外接按键开关,用来改变单片机对U2 DAC0808的数据置入。
　　这里借助由C5,C6,R17,R20～R23组成的电路,实现仿真地震信号中的大、小信号,引入前置差分放大电路。为了突出处理效果,将电路中的R9提高一倍,改为32 kΩ,这样小信号的放大倍数为32倍。
　　4 Proteus下的电路仿真调试与特性测试
　　这里单片机程序只是用来改变EX值,故省略。以1 V,占空比为10%,频率为10 Hz的正弦波仿真大信号;10 mV峰值,频率为200 Hz的正弦波仿真小信号。由C5,C6,R17,R20～R23组成的电路仿真地震信号。在EX=0.07 V下测得波形如图4所示。
　　图4 仿真测试波形
　　由图4波形知原始大小信号的幅度比约为:0.6/4.8=0.125(0.6为小信号幅度,4.8为大信号幅度),经过非线性放大电路处理后大小信号的幅度比变为:2/8.1=0.247,可见小信号的幅度所占比例明显提高,即小信号增益高于大信号。如图5所示为仿真软件Proteus运行情况。
　　5 结 语
　　 由以上的仿真实验结果可以看出,本文原理能够得到很好的验证。实验中发现EX的预设对大小信号的切换电平有直接影响。由于这里EX的设定可以确定大、小信号增益的切换点,同时电路中大、小信号的增益值由电路确定,使得经由Σ-Δ A/D转换器所得数据在回放过程进行反处理后,能够实现小信号动态范围的扩展。
　　图5 仿真软件运行
　　本文提出的想法实现的是两段不同信号幅度的非线性增益调整,是否能够基于此原理实现三段,甚至多段类似折线化增益非线性调整方式,使得类似时域特征信号的采集更精确。从而使地震剖面资料的细部特征更加完善,促进石油勘探“走向精确勘探的道路”。本文的研究提供了一种可行的方法,这也是下一步研究的方向。
　　
　　参考文献
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