CN1048471A - 允许将模拟信号精确数字化的获取方法和装置 - Google Patents

Abstract

经放大、取样和数字化获取信号的方法和装置， 适用于长久控制在每个接连的采样循环中加于信号 上的增益的稳定性。在每个循环中完成对未经放大 的信号采样进行第一数字化，然后对放大后的信号采 样至少实现一次第二数字化。通过确定在每个第二 数字化和第一数字化的末尾所分别得到的二值之间 的比值，可测出每次实际加给的增益，如实际增益与 其标称值有偏差，可以校正放大器的增益。地震信号 的数字化是一个应用的实例。

Description

允许将模拟信号精确数字化的获取方法和装置

本发明的目的在于提供一种经数字化获取模拟信号的方法和装置，他们能使所得到数字值具有高精度。

在许多领域中都要实现获取模拟信号并将其变换为数字字。例如在地震勘探领域中为了建立代表下层土壤的地震断面就要记录用地震检测器或水中地震检测器拾取的、从地下反射体来的模拟信号。为了能适用于不同的处理，这些信号一般要进行放大、采样和数字化。由于所勘探的区域通常范围相当大，故地震信号表现出的变化的动态范围很宽。这些动态范围常常超过用于获取设备的A/D变换器(最好工作在16位)的容量。

在法国专利2625634中描述的方法是通过在数模变换器的一个输入端加上一定的稳定参考电压，从而允许可以数字化的模拟信号的动态范围加大。这种先前的方法的实质，在于在此输入端上连接一产生两个大小相等但符号相反的电压的电压产生器。根据要进行数字化的输入信号的符号而加上正参考电压或加上负参考电压。法国专利说明书2626423描述了另一动态范围扩大装置，它包含一个固定增益放大器，一个采样器和A/D变换器(ADC)，其上加有一定的稳定参考电压，该电压是从通过对同一已校准的电压进行细分而得到的一组稳定电压中选出的。通过将采样的模拟电压和从已校准的电压中导出的稳定电压进行比较来实现对参考电压的选择。只要需进行数字化的输入信号不太弱并与由变换器产生的噪音电平不相容，则这一装置在对较弱的输入信号进行数字化时就允许维持高精度，并因而使变换动态范围显著加大。

通常将用于地震采集的二进制-增益放大器设计成可以发送由以下两部分所定义的放大信号：其一是浮点尾数，它低于可用A/D变换器进行数字化的最大电压；其二是指数，一般为数字2的乘方。得到的数字字包含若干位定义尾数的数字化数值，加上代表指数的二进制数字化值。只要产生放大电压指数的放大器的各级增益是精确地知道的，则浮点放大器就能给出良好的结果。但情况并不总是如此。虽然在制造时人们可以高精度地知道各级的增益，但由于调整困难，各级的增益还随温度和时间而变化。可能出现增益跳变现象，使数字化信号采样的精度变更。在前面加了放大器的变换器，其总线性度一般与变换器单独使用的总线性度不同。

在本发明中，获取模拟信号的方法包含对上述信号进行放大，对其采样，并对采样信号进行数字化，从而使所得到的数字字具有高精度。其特征在于该方法包含实现一系列接连的数字化循环，每一个循环包含：

直接把未经放大的模拟信号的采样数字化，以获得第一数字化值，

对以每个标称增益进行放大的信号的采样进行数字化，以至少获得一个第二数字化值，

选择一数字化值，并通过计算每个第二数字化值与上述第一数字化值之比来测定实际施加的每个增益，

如果该增益与相应的标称值有偏差即调整放大装置的每个放大增益以恢复上述标称值。

第一和第二数字化值可以是例如在每个循环中接连地得到的。

根据本发明的获取模拟信号(Ve)的装置包含放大器，采样装置和至少一个能将上述采样装置送来的采样信号数字化的A/D变换器。其特征在于：放大器至少包含一个带有在确定的标称值附近调整增益的装置的放大单元，采样装置包含一直接对未经放大的模拟信号进行采样的第一采样器和至少一个对从每个放大单元来的信号进行采样的第二采样器，该获取装置还包含将各采样器的输出接连地加到上述变换器的输入端的转接装置，以及对每个采样选择一数字化值并根据测出的标称增益和实际增益之间的偏差对每个放大单元的增益进行校正的装置。

上述选择和修正装置包含例如至少一个电压比较器，它用于在每个循环中从上述采样器来的各信号采样中选择其电平与所用的变换器相容的那些信号采样；及一个逻辑单元，它用以在每个循环中确定一个与标称增益值和实际增益值之间的偏差成比例的量，该实际增益值可通过求出从每个第二采样器来的采样的数字化值与从第一采样器来的采样的数字化值的比值来测出；和连到上述增益调整装置的、对上述偏差进行加权的装置。

上述逻辑单元可包含第一和第二两个移位寄存器，两者都与上述变换器的输出相连；以及将第一和第二移位寄存器的内容相减的装置。加权装置包含例如一个积分器。

还可使用一种加权装置，它包含一个处理单元，用以计算每个放大单元的标称增益和其实际增益之间的比值的平均值。而实际增益则从包含在第一和第二移位寄存器中的数字化值计算。该处理单元可包含例如一个存储器，用以存储固定数目的上述比值的逐次值。

参照附图阅读以下的说明，可以更清楚地看出本发明的方法和装置的其他特征和优点。其中：

图1表示根据本发明的装置的第一实施例的示意图，它带有一个用于平滑校正增益的积分器；

图2表示用于选择数字化值和进行可能的放大增益调整的逻辑单元的示意图；和

图3表示第二实施例的示意图，其中使用数字存储装置以使放大单元中所要作的增益校正的值更加平滑。

在图1中可以看出模拟信号Ve加在第一采样器1的输入端并加在将标称增益Gn加给模拟信号的放大器2的输入端。从放大器2来的信号加到第二采样器3。两采样器1，3的输出端与电子开关4的两输入端相连。电子开关的输出连到A/D变换器5(ADC)的输入端，该变换器产生给定长度的数字字(例如16位)。同步单元6在每个取样数字化循环中产生时钟信号以控制取样器1，3和A/D变换器5。它还用于在每个循环中产生一信号以控制开关4允许在A/D变换器的输入端接连地加上从采样器1来的未经放大的采样或从放大器2来的经过放大的同一采样。

本获取装置还包含一从变换器5接收数字化字并用于产生将在下文详细说明的校正信号的逻辑单元7。这些校正信号都加在积分器8的输入端上。放大器2的增益用传统的逆反馈网络进行控制，该网络包含连在放大器2的输出端s和其反向输入端e-之间的第一电阻R₁，和使同一反向输入e-接地的两个串联电阻R₂和r。电阻r包括场效应晶体管9，该晶体管的沟道接成与一电阻并联。积分器8的输出与晶体管9的栅极相连。因而电阻r的值随加到上述栅极上的电压而变化。

控制逻辑单元7(图2)包含两个寄存器10，11。该二寄存器的输入端都与变换器5的输出相联。第一脉冲CH₁控制寄存器10，以存取未经放大的采样在数字化后得到的字N₁。第二脉冲CH₂控制寄存器11以存取对应于以增益G进行放大后的采样的字N₂。减法器12将寄存器10和11的内容进行比较，并根据比较结果产生逻辑值信号0或1加到积分器8。逻辑单元7还包含具有两个输入端的阈值比较器13。其第一输入端与变换器5的输入端相连。第二输入端则加上与变换器5可以变换为数字字的最大振幅相对应的参考电压Vm。阈值比较器的输出端与第一与门14的控制输入端相连，并经逻辑反相器15连到第二与门16的控制输入端。寄存器10和11各自的输出端分别连到门14和16的输入端。两个与门14，16的输出端相互连在一起作为比较单元的输出。

在每个采样循环中本获取装置的一般工作原理在于完成双数字化，第一数字化是对从采样器1来的未经放大的采样进行的，而第二数字化是对从采样器3来的放大后的采样进行的；通过确定分别得到的数字字N₂和N₁之间的比值而校验放大器的实际增益G是否与标称增益Gn一致，及对可能产生的差值进行校正。实现对增益G和Gn的比较的另一等效方式，是将放大后实际得到的数字字N₂与加上标称增益Gn后的数字字N进行比较。

对于存储在采样器1和3中的每个模拟采样来说，采样器1，3的输出逐次地用开关4连到变换器5的输入端。两个得到的数字字接连地放在有关的寄存器中，即第一数字字放在比较单元7的寄存器10中，第二数字字则放在另一寄存器11中。并完成第一级的比较。如果在本获取装置的输入端的信号的振幅在以增益G进行放大后超过变换器5所能进行数字化的最大电压，则比较单元选择与未经放大的采样相对应的第一数字字N。这可由用阈值比较器13开放门14并关闭另一门16来实现。相反地如果放大后的信号在可由变换器进行数字化的电压窗口之中，则比较单元将完成第二数字字N₂与第三字N₃之间的第二级比较，以检验加给放大后的采样的实际增益G是否实际上与在放大器的最后调整时所测出的标称增益Gn相一致。字N₃可通过将储存在寄存器10中的数字字N₁(未经放大的采样)乘上标称增益Gn得出。如果标称增益举例说是2的m次方(此处m为任何整数)，则如所周知，乘积相当于含有字N₁的寄存器的内容的m次移位。象字N₁*Gn那样，寄存器11中的字N₂也加到减法器12，在减法器中形成差值N₂-N₁*Gn或等效于差值N₁(N₂/N₁-Gn)-N₁(G-Gn)。

如果N₂-N₁*Gn＝O，则比较器12发出逻辑零信号。否则发出逻辑1信号。从减法器12来的逻辑信号加到积分器8。在积分器8的输出端得到的电压变化稍微修改放大器2的增益，使其增益与标称增益相等。

然后经门ET16控制对应于放大后的信号的数字字N₂的输出。

在图3所示的变型实施例中，对放大器5的实际增益G和标称增益Gn之间可能产生的偏差的校正不再由积分实现，而代之以确定他们的比值在若干次连续的采样循环中的平均值。增益G的实际值由比值N₂/N₁给出，标称增益和实际增益之间的比值Gn/G可通过计算乘积C＝Gn*N₁/N₂确定。逻辑单元7的寄存器10和11与处理单元17相连。处理单元包含适用于在每个采样和放大循环中确定系统C的值的计算元件18和诸如为专家所熟知的FIFO型的可存储p个数字字的存储器19。将逐次的C值引入存储器19。在每个循环中计算元件18确定系数C的p个最近存储的值的平均值。然后利用比值的平均值来修改每个逐次采样的数字化值。计算元件通过将对应于每个放大后的采样的数字字N₂乘以此平均值而实现此种修改。

在所述的实施例中已经考虑到可调整的固定增益放大器的情况。将所描述的校正原理扩展到具有几个不同的增益值且可在这些值附近进行调整的放大器，仍然属于本发明的范围。在此情况下，本获取装置可以包含例如几个具有不同增益的并联的放大级，并通过多路开关把模数变换器在每个采样循环中逐次与各个放大级相连，还可包含与已举例说明过的校正放大级标称增益和实际增益之间的偏差的相类似的各放大级校正装置，以及考虑到所配的变换器，选择能给出最精确的数字化值的放大级的增益选择装置。

Claims (10)

1.一种获取模拟信号的方法，包含将上述信号进行放大，对其进行采样及使信号采样数字化，并允许所得到的数字值具有高精度，其特征在于本方法包含实现一系列接连的数字化循环，每个循环包含：

直接把未经放大的模拟信号中取出的采样数字化以得到第一数字化值(N₁)。

使每个以标称增益进行放大的信号的采样数字化以至少得到一个第二数字化值(N₂)。

选择一数字化值，并通过确定每个第二数字化值和上述第一数字化值间的比值而测出实际加给采样的每个增益(G)，及

在相对于相应的标称值(Gn)有偏差时调整经放大装置所加给的每个放大增益以恢复上述标称值。

2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于上述数字化值系在每个循环中接连地被获得的。

3.一种获取模拟信号(Ve)的装置，包含放大器，采样装置及用于使从上述采样装置来的信号采样数字化的至少一个模数变换器5，其特征在于该放大器包含带有在确定的标称值(Gn)附近调整增益的装置9的至少一个放大单元2，该采样装置包含直接对未经放大的模拟信号进行采样的第一采样器1和至少一个对从每个放大单元2来的信号进行采样的第二采样器3，本获取装置还包含逐次地将采样器1，3的输出连接到上述变换器的输入端的转接装置及对每个采样选择一数字化值并根据测出的标称增益Gn和加给各信号的实际增益间的偏差校正每个放大单元的增益的选择和校正装置。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于上述选择和校正装置包含至少一个用于在每个循环中在从上述采样器来的信号采样中选择其电平与上述变换器相容的那些信号采样的电压比较器13，及在每个循环中确定一个与标准增益值(Gn)和实际增益值之间的偏差成比例的量的逻辑单元7，该实际增益值是通过求出从每个第二采样器来的采样的数字化值和从第一采样器来的采样的数字化值的比值而获得的。该选择与校正装置还包含与上述增益调整装置9相连并对上述偏差加权的加权装置。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于逻辑电路7包含第一和第二移位寄存器10，11，两个寄存器均与上述变换器5的输出相连，并包含将第一移位寄存器和第二移位寄存器的内容进行相减的装置。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于加权装置包含一积分器8。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于加权装置17包含从分别包含在第一和第二移位寄存器10，11中的数字化值计算每个放大单元2的标称增益与其实际增益之比的平均值的处理单元18。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于处理单元包含有能存储固定数目的上述比值的逐次值的存储装置19。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于上述放大单元包含一个连在积分器8的输出端的电子可调电阻9构成的反馈网络。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于处理单元18适用于根据上述平均值对从变换器5来的数字化值进行校正。

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