基于∑-△的地震采集系統(tǒng)前置放大器探討

0 引言
    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)整過程中在時域信號上的切換會破壞時域信號的連續(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?、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，U0<|EX+1．2 |，D1，D2均不導(dǎo)通，這時電路的放大倍數(shù)為：Av1=-16。
    (2)當(dāng)輸入信號Ui滿足：時，U0>|EX+1．2|，D1，D2均導(dǎo)通，這時電路的放大倍數(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。

    由DAC0808參數(shù)手冊可知：
   
    由運(yùn)放U3輸出。為產(chǎn)生對應(yīng)的-EX，電路中通過U4對EX進(jìn)行1：1的反向放大。在AT89C51對EX步進(jìn)調(diào)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(shè)置了直流電壓表測試相應(yīng)輸出直流電壓值。
    運(yùn)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(shè)置了仿真信號源，輸出端設(shè)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(jī)U1的P0．O外接按鍵開關(guān)，用來改變單片機(jī)對U2DAC0808的數(shù)據(jù)置入。
    這里借助由C5，C6，R17，R20～R23組成的電路，實(shí)現(xiàn)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(shù)為32倍。

4 Proteus下的電路仿真調(diào)試與特性測試
    這里單片機(jī)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(jīng)過非線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(yùn)行情況。

5 結(jié)語
    由以上的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文原理能夠得到很好的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)EX的預(yù)設(shè)對大小信號的切換電平有直接影響。由于這里EX的設(shè)定可以確定大、小信號增益的切換點(diǎn)，同時電路中大、小信號的增益值由電路確定，使得經(jīng)由∑-△A／D轉(zhuǎn)換器所得數(shù)據(jù)在回放過程進(jìn)行反處理后，能夠?qū)崿F(xiàn)小信號動態(tài)范圍的擴(kuò)展。
    本文提出的想法實(shí)現(xiàn)的是兩段不同信號幅度的非線性增益調(diào)整，是否能夠基于此原理實(shí)現(xiàn)三段，甚至多段類似折線化增益非線性調(diào)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(xì)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。