CN104991276A - 一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，包括计算机、控制器、传感器和信号放大单元，传感器与控制器之间通过由信号调理电路和数模转换电路构成的AD采集电路连接，信号放大单元为由三级放大电路和程控衰减电路构成的程控增益放大电路，采集的地球天然脉冲电磁场信号经程控增益放大电路调整后输出，AD采集电路和程控增益放大电路均与控制器电连接，控制器上连接有电源模块；本发明提供的程控增益放大系统中，采用仪表放大器作为前级获取微弱信号，后两级采用精密低噪声运放组成高增益放大电路，实现最高放大倍数80dB，并在中间级插入程控衰减电路，实现放大倍数0～80dB程控可调。

Description

一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统

技术领域

本发明涉及一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，属于地震前兆信号处理领域。

背景技术

地震给人类的生活带来了巨大的灾难，严重威胁人类的生命财产安全，如何预测地震的发生就凸显出其必要性，这也是全人类的期待。介于目前地震前兆预测研究领域没有一个精确的手段能够预测地震的发生，对于新的地震前兆预测研究很有必要，以便去寻找一个更好的方法预测地震的发生。

地震发生前地球天然脉冲小信号可用于地震预测，地球天然脉冲小信号分析所采集的地磁信号来自于磁信号感应传感器，传感器最终输出的地磁信号幅度非常小，从几毫伏至百毫伏不等，另外还包含了一些其他不必要的噪声，如闪电、高压线、施工电器等都会产生磁信号来干扰系统。再加上地磁信号本身具有微弱、波动范围大、来源广、易受干扰等特点，因此需要对信号的幅度进行一定的调整，方便对信号的采集，以获取较为真实的震前电磁异常信号，从而为后续进行有效的基于地球天然脉冲电磁场分析的孕震信息时频特点研究。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，该系统能有效的对地球天然脉冲小信号进行放大，实现对小信号幅度的调整，方便于有用信号的采集和分析，从硬件上解决了地球天然脉冲电磁场信号数据的获取、采集、筛选、保存问题，为后续算法分析提供稳定可靠的信号数据。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，至少包括计算机、通过串口线与计算机连接的控制器、用于采集地球天然脉冲电磁场信号的传感器和与传感器电连接的信号放大单元，传感器与控制器之间通过由信号调理电路和数模转换电路构成的AD采集电路连接，所述信号放大单元为程控增益放大电路，采集的地球天然脉冲电磁场信号经程控增益放大电路调整后输出，AD采集电路和程控增益放大电路均与控制器电连接，控制器上连接有用于将外接电源转化为工作电压的电源模块；所述程控增益放大电路由依次串联的程控增益前级放大电路、程控增益二级放大电路、程控衰减电路和程控增益末级放大电路四级电路构成，其中程控增益前级放大电路由运算放大电路A和RC高通滤波电路串联构成，RC高通滤波电路的输出端即为程控增益前级放大电路的输出端，程控增益二级放大电路为运算放大电路B，程控衰减电路由模数转换器和运算放大电路C串联构成，程控增益末级放大电路包括并联的开关元件和运算放大电路D，控制器通过开关元件控制运算放大电路D的通断。

所述程控增益放大电路的放大倍数为10000倍，其中程控增益前级放大电路的放大倍数为100倍，增益设定公式为：其中Rg值为499Ω；程控增益二级放大电路的放大倍数为10倍，增益设定公式为：其中Rh值为100Ω，Rf值为910Ω；程控增益末级放大电路中运算放大电路D的放大倍数为10倍。

所述信号调理电路和运算放大电路A均为仪表放大器，程控衰减电路为乘法型DAC与运算放大电路C的组合电路，开关元件为继电器或模拟开关。

程控衰减电路为压控电路或模拟乘法器。

所述控制器为单片机，单片机上设有扩展SD卡接口。

由上述技术方案可知，本发明提供的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，由低功耗单片机为控制核心，通过单片机来控制程控增益放大电路的增益参数和数模转换电路的采样率，同时控制AD采集电路采集研究需要的电压范围并且去除无效数据。单片机可通过串口线和主机进行通信，通过计算机界面可以配置程控增益放大电路的增益参数、AD采集电路的采样率和电压采集范围，同时可以将数据实时显示并且保存于计算机；传感器用于采集地球天然脉冲电磁场信号，该信号的特点是幅度小并且包含较多干扰信号，信号采集后一路通过AD采集电路转化后输入单片机，单片机将所得到的每秒钟高于门限值电压的数目和这一秒钟所采集电压的平均值这两种信息通过串口线传输至计算机进行保存，另一路通过程控增益放大电路进行信号调整，程控增益放大电路对信号进行三级放大同时插入衰减电路实现放大倍数程控可调，程控增益放大电路的四级电路具体为：

(1)程控增益前级放大电路，由仪表放大器和RC高通滤波电路(300Hz)串联构成，其放大倍数为100倍，增益设定公式为：其中Rg值为499Ω，输入信号幅度不超过200mVp-p，最大输出幅度不超过20Vp-p；

(2)程控增益二级放大电路，为运算放大电路B或运算放大器，其放大倍数为10倍，增益设定公式为：其中Rh值为100Ω，Rf值为910Ω，输入信号幅度不超过2Vp-p，避免由于供电原因造成输出截止；

(3)程控衰减电路，为乘法型DAC与运算放大电路C的组合电路，该电路具有MHz级别的带宽；

(4)程控增益末级放大电路，包括并联的开关元件和运算放大电路D，放大倍数为1倍或10倍，单片机通过开关元件控制运算放大电路D的接通(信号经过运算放大电路D，信号放大10倍后输出)或断开(信号直接输出)，信号最高输入幅度不超过2Vp-p。

本发明提供的程控增益放大系统，程控增益前级放大电路和信号调理电路均为仪表放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗、共模抑制比与放大倍数成正比的特点，可有效放大传感器采集的差分信号，程控增益放大电路的总放大增益为10000倍，其中程控增益前级放大电路输入信号的幅度最小，不会受到压摆率参数的限制，该电路具有共模抑制比与放大倍数成正比的特点，因此设计增益为100倍；程控增益放大电路中插入程控衰减电路，通过控制衰减参数以实现放大倍数0～80dB程控可调。

系统通过电源模块将外接电源(±12V输入电源)转化为工作电压(5V电源和3.3V电源)，单片机的接口主要包括AD控制总线、增益控制总线、下载接口，单片机上设有扩展SD卡接口，以便数据存储。

与现有技术相比，本发明提供的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统中，程控增益放大电路针对于地球天然脉冲小信号的幅度调整，可以方便于地磁信号的采集工作，采用仪表放大器作为前级获取微弱信号，后两级采用精密低噪声运放组成高增益放大电路，最高放大倍数实现80dB，并在中间级插入由乘法型DAC与运算放大电路C组成的程控衰减电路实现放大倍数0～80dB程控可调。

附图说明

图1为本发明提供的程控增益放大系统的结构框图。

图2为程控增益前级放大电路的电路图。

图3为电源模块的电路图。

图4为程控增益二级放大电路的电路图。

图5为程控衰减电路的电路图。

图6为程控增益末级放大电路的电路图。

其中，1-仪表放大器，2-RC高通滤波电路，3-乘法型DAC，4-运算放大电路C，5-开关元件，6-运算放大电路D。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，如图1所示，包括计算机、通过串口线与计算机连接的单片机MSP430G2553、用于采集地球天然脉冲电磁场信号的传感器和信号放大单元，传感器与单片机之间通过由仪表放大器INA128和数模转换电路构成的AD采集电路连接，所述信号放大单元为程控增益放大电路，采集的地球天然脉冲电磁场信号经程控增益放大电路调整后输出，AD采集电路和程控增益放大电路均与单片机电连接，单片机上连接有用于将外接电源转化为工作电压的电源模块，电源模块的电路如图3所示，电源模块直接产生5V或3.3V电源，单片机上设有扩展SD卡接口以便数据存储，单片机MSP430G2553可替换为STM32或ARM系列的更高性能的控制芯片；

所述程控增益放大电路由依次串联的程控增益前级放大电路、程控增益二级放大电路、程控衰减电路和程控增益末级放大电路四级电路构成，放大倍数为10000倍，其中程控增益前级放大电路如图2所示，由INA128仪表放大器1和300Hz RC高通滤波电路2串联构成，放大倍数为100倍，增益设定公式为：其中Rg值为499Ω，输入信号幅度不超过200mVp-p，最大输出幅度不超过20Vp-p，INA128仪表放大器1的偏置电压设定引脚接入设定的偏置电压，RC高通滤波电路的输出端即为程控增益前级放大电路的输出端，其中INA128仪表放大器可以用其他仪表运放替代，比如ADI的AD8221；

程控增益二级放大电路为运算放大电路B，如图4所示，放大倍数为10倍，增益设定公式为：其中Rh值为100Ω，Rf值为910Ω，其输入信号幅度不超过2Vp-p，运算放大电路B可用其他精密、低噪声运放进行替代，如ADI公司的OP177F；

程控衰减电路如图5所示，为DAC7811乘法型DAC3与OPA277运算放大电路C4的组合电路，其中DAC7811为SPI控制总线，信号最高的输入范围是30Vp-p，其中输出跟随运放要求选择低偏置电流、低失调电压的运放，DAC7811乘法型DAC可用其他同类芯片替代，如ADI公司的AD5452，程控衰减电路可替换为压控电路或模拟乘法器；

程控增益末级放大电路如图6所示，包括并联的开关元件5和OPA211运算放大电路D6，OPA211实现固定增益10倍放大，同时通过控制开关元件来控制信号是否通过OPA211(10倍放大)或是直接输出，开关元件为继电器或模拟开关，单片机通过开关元件控制运算放大电路D的通断，信号最高输入幅度不超过2Vp-p，OPA211可采用其他压摆率稍高的低噪声运放替代，如OPA228、AD817等。

Claims (5)

1.一种用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，至少包括计算机、通过串口线与计算机连接的控制器、用于采集地球天然脉冲电磁场信号的传感器和与传感器电连接的信号放大单元，其特征在于：传感器与控制器之间通过由信号调理电路和数模转换电路构成的AD采集电路连接，所述信号放大单元为程控增益放大电路，采集的地球天然脉冲电磁场信号经程控增益放大电路调整后输出，AD采集电路和程控增益放大电路均与控制器电连接，控制器上连接有用于将外接电源转化为工作电压的电源模块；所述程控增益放大电路由依次串联的程控增益前级放大电路、程控增益二级放大电路、程控衰减电路和程控增益末级放大电路四级电路构成，其中程控增益前级放大电路由运算放大电路A和RC高通滤波电路串联构成，RC高通滤波电路的输出端即为程控增益前级放大电路的输出端，程控增益二级放大电路为运算放大电路B，程控衰减电路由模数转换器和运算放大电路C串联构成，程控增益末级放大电路包括并联的开关元件和运算放大电路D，控制器通过开关元件控制运算放大电路D的通断。

2.根据权利要求1所述的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，其特征在于：所述程控增益放大电路的放大倍数为10000倍，其中程控增益前级放大电路的放大倍数为100倍，增益设定公式为：其中Rg值为499Ω；程控增益二级放大电路的放大倍数为10倍，增益设定公式为：其中Rh值为100Ω，Rf值为910Ω；程控增益末级放大电路中运算放大电路D的放大倍数为10倍。

3.根据权利要求1所述的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，其特征在于：所述信号调理电路和运算放大电路A均为仪表放大器，程控衰减电路为乘法型DAC与运算放大电路C的组合电路，开关元件为继电器或模拟开关。

4.根据权利要求1所述的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，其特征在于：程控衰减电路为压控电路或模拟乘法器。

5.根据权利要求1所述的用于地球天然脉冲电磁场信号的程控增益放大系统，其特征在于：所述控制器为单片机，单片机上设有扩展SD卡接口。