CN104092443B - 一种用于电法勘探的自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电法勘探的自动增益控制电路，其特征在于，由正峰值检波电路、基准电压电路、信号放大电路、电压比较电路、至少两级放大电路及滤波电路组成；所述正峰值检波电路对输入信号进行检波后分为两路，第一路直接与电压比较电路比较端连接，第二路通过信号放大电路后与比较端连接，基准电压电路与电压比较电路另一比较端连接，电压比较电路的输出端与两级放大电路的控制端连接，电压比较电路产生的数字控制信号通过控制两级放大电路的放大倍数实现自动增益控制。利用本发明，可实现对电法勘探信号的高效、可靠的自动增益控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电法勘探的自动增益控制电路，尤其涉及一种可用于电法勘探仪器中激电电压信号处理的自动增益控制电路。
背景技术
在电法勘探中，电法勘探信号接收机采集的电压信号具有动态范围大的特点，通常情况下，电压信号幅值的动态范围在±1mV～±10V。为了实现对各种信号进行有效放大，接收机应具有自动增益控制功能。
在接收机放大倍数控制方面，目前主要有三种方法。第一种方法是用户设置各级放大电路的放大倍数。采用这种方法的有美国GEOMETRICS公司生产的EH-4，加拿大凤凰公司生产的V5-2000和V-8等接收机。这要求用户对干扰的大小、频率范围和信号的大小有详细的了解，并且熟悉仪器内部的功能。通常保险的做法是将第一级放大电路的放大倍数设置到最小，但是这将导致接收机的等效输入噪音增大，使信号观测的精度下降，满足不了电法勘探的要求。第二种方法是接收机自动设置放大倍数。采用这种方法的接收机有美国ZONGE公司生产的GDP32-II，具体方法是先将第二级放大电路后面跟随的抗混叠滤波电路屏蔽，然后测量信号大小，调整第二级放大电路放大倍数。再将抗混叠滤波启动，调整第三级放大电路放大倍数。将第一级放大电路放大倍数设置为最低或人工选择放大倍数模式下由用户设置。该方法的缺点是无法知道干扰的大小，第一级设置为低增益时可能导致无法对信号实现最优放大，高增益时可能导致放大电路饱和。第三种方法是放大倍数智能控制方法。这种方法由中南大学提出(专利号CN101009039A)，主要特点是将各级放大电路放大倍数设置模式分为无干扰、弱干扰、中等干扰、强干扰四种模式，针对不同的噪声环境选择不同的控制策略。该方法能够根据不同的干扰环境选择最优控制策略，实现了对接收机各级放大电路的放大倍数的正确有效设置，然而存在的问题是控制算法相对复杂，降低了探测效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电法勘探接收机的上述缺陷，提供一种抗干扰能力强、动态范围大、转换速度快的自动增益控制电路。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：由正峰值检波电路、基准电压电路、信号放大电路、电压比较电路、至少两级放大电路及滤波电路组成；所述正峰值检波电路对输入信号进行检波后分为两路，第一路直接与电压比较电路比较端连接，第二路通过信号放大电路后与比较端连接，基准电压电路与电压比较电路另一比较端连接，电压比较电路的输出端与两级放大电路的控制端连接，电压比较电路产生的数字控制信号通过控制两级放大电路的放大倍数实现自动增益控制。利用本发明，可实现对电法勘探信号的高效、可靠的自动增益控制。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2(a)为现有激发极化测量中激励电流波形的一种双频合成电流波形示意图；
图2(b)为现有激发极化测量中一种双频激发极化信号波形示意图；
图2(c)为一种数字脉冲控制信号波形示意图；
图3为本发明正峰值检波电路的电路图；
图4为本发明基准电压电路的电路图；
图5为本发明电压比较电路的电路图；
图6为本发明放大电路I、II电路图。
其中，1.正峰值检波电路，2.基准电压电路，3.信号放大电路，4.电压比较电路，5.放大电路I，6.滤波电路I，7.放大电路II，8.滤波电路II。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本实施例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
在电法勘探中，激发极化法需要通过两个供电电极向地下发送激励电流，常用的激励电流波形为双频合成电流波形(如图2(a))，地下介质在激励电流的作用下发生激发极化效应，产生激电电压信号(如图2(b))，由于该电压信号动态范围较大可达±1mV～±10V，而之前的方法都不能达到理想效果。以该探测方法为例，对本发明的原理及电路进行进一步说明。
参照图1。本实施例包括正峰值检波电路1，基准电压电路2，信号放大电路3，电压比较电路4，放大电路I5，滤波电路I6，放大电路II7，滤波电路II8。被测激电电压信号经过前级信号处理后，进入到本发明本实施例自动增益控制电路。输入信号经过正峰值检波电路1后分为两路，第一路直接与电压比较电路比较端连接，第二路通过信号放大电路后与比较端连接，基准电压电路2与电压比较电路另一比较端连接，电压比较电路4的输出端与放大电路I5及放大电路II7的控制端连接，电压比较电路4产生数字控制信号实现对放大电路I5及放大电路II7放大倍数的控制。
本实施例将±1mV～±10V电压峰值范围分为四组，分别是0～±10mV，±10～±100mV，±100～±1000mV，±1～±10V。考虑到电压比较电路4的分辨率，通过信号放大电路3将0～±100mV的激电电压信号放大10倍。因此，电压比较电路4的四组门限电压分别为0～100mV，100～1000mV，100～1000mV，1～10V。
参照图2、3。正峰值检波电路1由LF398芯片构成的采样保持电路、LM311构成的比较器电路、74LVC1G32构成的或门电路以及低通滤波电路组成。传统的正峰值检波电路将比较器的输出端COLOUT直接与采样保持电路的逻辑控制端LOGIC连接，采样保持电路对输入信号VPPIN进行采样，输出信号VPPOUT与输入信号VPPIN的峰值通过比较器电路进行比较，当VPPIN的峰值高于VPPOUT时，比较器输出端COLOUT被置成高电平，VPPOUT变为VPPIN的峰值；当VPPIN的峰值低于VPPOUT时，COLOUT被置成低电平，VPPOUT保持不变，从而实现信号正峰值的检波。因此，当周期信号峰值出现下降时该检波电路无法实现检测，即只能对递增信号峰值进行检波，而无法对递减信号峰值进行检波。为了解决这一难题，本发明设计了二输入或门控制电路，输入端A与比较器电路的输出端COLOUT连接，输入端B与数字脉冲控制信号PULSEOUT(如图2(c))连接，PULSEOUT表达式如公式(1)所示：
式中：
T表示所述数字脉冲控制信号的周期，即输入低频信号的周期；
τ＝|τ1-τ2|表示所述数字脉冲控制信号的脉冲宽度，取τ＜＜T；
VH、VL分别表示数字高电平及低电平。
数字脉冲控制信号PULSEOUT由单片机控制产生，相位与双频合成激励电流(如图2(a))一致。当激电电压信号(如图2(b))峰值增大时，比较器电路的输出端COLOUT被置成高电平，采样保持电路的逻辑控制端LOGIC也被置成高电平，输出信号VPPOUT变为增大后的峰值；当激电电压信号峰值减小时，输出端COLOUT被置成低电平，数字脉冲控制信号PULSEOUT产生高电平脉冲时，逻辑控制端LOGIC也被置成高电平，输出信号VPPOUT变为减小后的峰值。从而实现了动态的正峰值检波。
参照图4。基准电压电路2为电压比较电路4提供基准电压，可知基准电压电路2需要产生3个基准电压值，即REF0＝0V，REF1＝100mV，REF2＝1V，REF3＝10V。基准电压电路2由+10V基准电压芯片REF102及精密电阻组成，旁路去耦电容选用1uF钽电容。REF102芯片产生+10V基准电压，其他基准电压通过精密电阻分压产生，分压电阻分别选用100kΩ精密电位器、10kΩ精密电位器及1kΩ精密电阻，通过调整电位器产生所需基准电压值。
为了提高比较器对微弱信号的分辨率，在对微弱信号进行比较之前，利用信号放大电路3对微弱直流信号进行放大。信号放大电路3的作用是将正峰值检波电路1产生的0～100mV电压信号进行有效放大，提高电压比较电路电压比较精度。在本实施例中，放大倍数设为10倍，信号放大电路3由精密的斩波自稳零放大芯片LTC2057、精密电阻、电容、稳压管等组成。
参照图5。电压比较电路4是实现自动增益控制的关键，作用是将被测信号峰值VPPOUT或放大后的信号峰值VPPAMP与多组门限电压比较，比较后产生的数字控制信号，通过控制放大电路I5及放大电路II7实现自动增益控制。电压比较电路4由比较器芯片LM339构成的电压比较器及与门芯片CD4081构成的与门电路组成。为便于理解电压比较电路4的功能，将电压比较器输入、输出以及与门输出情况列表，如表1所示：
表1电压比较电路比较功能
参照图6。两级放大及滤波电路的作用是在电压比较电路4产生的数字控制信号控制作用下，实现对激电电压信号的有效放大。放大电路I5、II7均由精密斩波自稳零放大芯片LTC2057构成的同相放大电路、多路模拟开关芯片MAX313构成的模拟开关电路以及精密电阻组成。滤波电路I6、II8采用截止频率为25Hz的4阶低通滤波电路，作用是滤除工频以及高频噪声。同相放大电路的放大倍数如公式(2)所示，信号输入输出范围、放大电路I5、II7的放大倍数及总增益如表2所示。
式中：
G表示同向放大电路的放大倍数；
R1、R2分别表示反向输入端电阻及反馈电阻阻值；
表2放大电路放大倍数
放大电路I5、II7的放大倍数通过MAX313构成的模拟开关电路以及反馈电阻实现，模拟开关电路的通断由电压比较电路4产生的数字控制信号控制实现，当数字控制信号为高电平时，模拟开关选通，当数字控制信号为低电平时，模拟开关断开。根据表1可知，电压比较电路4经过对输入信号正峰值的比较判断后，每次只能输出一个高电平和三个低电平控制信号，因此模拟开关每次只有一路选通，其他三路断开，通过设置阻值不同的反馈电阻，实现了对放大电路I5、II7的放大倍数及总增益的控制。
Claims (3)
1.一种用于电法勘探的自动增益控制电路，其特征在于，由正峰值检波电路、基准电压电路、信号放大电路、电压比较电路、至少两级放大电路及至少两级滤波电路组成；所述正峰值检波电路对输入信号进行检波后分为两路，第一路直接与电压比较电路的第一比较端连接，第二路通过信号放大电路后与所述电压比较电路的第二比较端连接，基准电压电路与电压比较电路另一比较端连接，电压比较电路的输出端与所述至少两级放大电路的控制端连接，电压比较电路产生的数字控制信号通过控制所述至少两级放大电路的放大倍数实现自动增益控制；
所述正峰值检波电路由采样保持电路、比较器电路、或门电路以及低通滤波电路组成，可实现低频周期性变化信号正峰值检波；所述比较器电路的比较端IN+用于接收所述输入信号，比较端IN-与所述采样保持电路的输出端OUTPUT连接，所述比较器电路的时钟输出端COLOUT与所述或门电路的输入端A连接，所述或门电路的输入端B用于输入数字脉冲控制信号PULSEOUT，所述数字脉冲控制信号PULSEOUT的公式为：
式中：T表示所述数字脉冲控制信号的周期，即输入低频信号的周期；
τ＝|τ1-τ2|表示所述数字脉冲控制信号的脉冲宽度，取τ＜＜T；
VH、VL分别表示数字高电平及低电平；
所述或门电路的输出端与所述采样保持电路的逻辑端LOGIC连接；
所述采样保持电路的信号输出端OUTPUT与所述低通滤波电路连接，由所述低通滤波电路对所述采样保持电路输出的信号进行低通滤波，从而输出信号VPPOUT。
2.根据权利要求1所述的用于电法勘探的自动增益控制电路，其特征在于，所述电压比较电路由与门电路和至少2个电压比较器组成，可对四组量程范围电压进行比较。
3.根据权利要求1所述的用于电法勘探的自动增益控制电路，其特征在于，所述至少两级放大电路采用精密斩波自稳零运算放大器。
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