基于∑-△的地震采集系统前置放大器探讨

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∑-△技术来完成A／D转换。目前使用∑-△ 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∑-△ 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∑-△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。

    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O．5～3．0 s，放大器的增益依次为O dB，18 dB，24 dB，30 dB，36 dB和42 dB。显然这种处理方法对配合∑-△技术完成A／D转换，使∑-△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∑-△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∑-△A／D转换器的数字滤波过程完成抑制处理。
    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。

    由文献分析可知：
    (1)当输入信号Ui满足：时，U0<|EX+1．2 |，D1，D2均不导通，这时电路的放大倍数为：Av1=-16。
    (2)当输入信号Ui满足：时，U0>|EX+1．2|，D1，D2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Ui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。

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Ul采用了AT89C51，通过AT89C51的P2口对U2 DAC0808置入不同的8位数据(A1，A2，…，A8)，实现前述非线性放大电路中EX的步进设置。

    由DAC0808参数手册可知：
   
    由运放U3输出。为产生对应的-EX，电路中通过U4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U3，U4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U5配合R8，R9，…，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U1的P0．O外接按键开关，用来改变单片机对U2DAC0808的数据置入。
    这里借助由C5，C6，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R9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C5，C6，R17，R20～R23组成的电路仿真地震信号。在EX=O．07 V下测得波形如图4所示。

    由图4波形知原始大小信号的幅度比约为：O．6／4．8=0．125(O．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∑-△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。
    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。