基于Σ-Δ的地震采集系統前置放大器探討

摘 要:作為石油勘探中使用的地震數據采集系統，目前主要采用Σ-Δ技術完成A/D轉換。而其在整個電壓范圍內，依線性要求，地震數據采集中的時域起始段大信號與時域后段反射層的小信號，共用同一增益的前置信號放大器，因前置放大器對大信號不能過載，限制了小信號在前端采集時的放大處理。為了更好地在小信號放大上發揮Σ-Δ A/D轉換器的強噪聲抑制能力、良好的24位處理能力，通過信號分析，提出采用非線性前置放大器的方法，對大、小信號的增益分別處理，并完成了相應的仿真設計。

關鍵詞:數據采集; Σ-Δ; 非線性放大; 單片機; 限幅; 運放; DAC0808; PROTEUS

中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A

文章編號: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Σ-Δ技術來完成A/D轉換。目前使用Σ-Δ 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Σ-Δ 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Σ-Δ 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[1-2]。

圖1 模擬實際地震記錄

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[3]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0.5～3.0 s，放大器的增益依次為0 dB，18 dB，24 dB，30 dB，36 dB和42 dB [3]。顯然這種處理方法對配合Σ-Δ技術完成A/D轉換，使Σ-Δ 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Σ-Δ 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Σ-Δ A/D轉換器的數字濾波過程完成抑制處理[4]。

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[5]分析可知:

(1) 當輸入信號Ui滿足:Ui

(2) 當輸入信號Ui滿足:Ui>EX+1.2Av1時，Uo>EX+1.2，D1，D2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Ui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。

圖2 非線性放大電路

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U1采用了AT89C51，通過AT89C51的P2口對U2 DAC0808置入不同的8位數據(A1，A2，…，A8)，實現前述非線性放大電路中EX的步進設置。

圖3 仿真電路圖

由DAC0808參數手冊[6]可知:

EX=VrefA12+A24+…+A8256=

10A12+A24+…+A8256

由運放U3輸出。為產生對應的-EX，電路中通過U4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U3，U4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U5配合R8，R9，…，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U1的P0.0外接按鍵開關，用來改變單片機對U2 DAC0808的數據置入。

這里借助由C5，C6，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R9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C5，C6，R17，R20～R23組成的電路仿真地震信號。在EX=0.07 V下測得波形如圖4所示。

圖4 仿真測試波形

由圖4波形知原始大小信號的幅度比約為:0.6/4.8=0.125(0.6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Σ-Δ 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。

圖5 仿真軟件運行

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。

參考文獻

[1]李慶忠.走向精確勘探的道路[M].北京:石油工業出版社，1993.

[2]韓世勤，喻成.利用小波變換識別油、氣、水分界面[J].工程數學學報，2001，18(Z1):93-98.

[3]袁子龍，韋丹寧，李婷婷.高分辨率地震勘探智能程控型前置放大器的設計[J].地球物理學進展，2006，21(1):61-63.

[4]CAST.工業應用Sigma-Delta ADC常見問題解答\\.Analog Devices Inc.，2007.

[5][美]韋特J V.運算放大器原理與應用導論[M].沈承杭，譯.北京:人民郵電出版社，1980.

[6]National Semiconductor. DAC0808 8 B D/A converter\\.\\:National Semiconductor， 1999.

[7]張靖武，周靈彬.單片機系統的Proteus設計與仿真[M].北京:電子工業出版社，2007.

[8]Atmel Corporation. AT89 series hardware description\\.\\: Atmel Corporation， 1997.

[9][德]梯策 U，勝克 CH.高級電子電路[M].王祥貴，周旋，譯.北京:人民郵電出版社，1984.

[10]CHUI C K. An introduction to wavelets[M]. New York: Academic Press， 1992.