DE1964202B2 - Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur Schnellaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich liegenden Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrkanalige Verstärkerschaltung zur Schnellaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich liegenden Signalen mit automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulierung, insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Verstärkerstufen aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die einzelnen Ausgangsstufen der einzelnen Kanäle, mit einer Einrichtung zum Festlegen einer Vielzahl zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmter Verstärkungsbereiche der Verstärkerschaltung, mit einer Einrichtung zur Umwandlung des am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinenden Analog-Signals in ein korrespondierendes Digital-Signal und mit einer Einrichtung zum Ableiten eines zweiten Signales, das anzeigt, welcher der vorbestimmten Verstärkungsbereiche während eines Zeitintervalles, in dem das am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinende Signal in ein korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt wird, gewählt wurde.

Signale mit breitem Amplitudenbereich treten insbesondere in der seismischen Datenverarbeitung auf, und deshalb werden Vorrichtungen der obengenannten Art besonders für digitale seismische Speichersysteme gebraucht.

Die Entwicklung von digitalen seismischen Feldspeichergeräten für breiten Amplitudenbereich, mit denen man seismische Signale in digitaler Form auf schnellen Magnetbändern speichern kann, hat die Notwendigkeit von Analogverstärkern mit präzisem Verstärkungsfaktor und niedriger Verzerrung mit sich gebracht. Derartige Verstärker werden zwischen den Geophonen und den Analog-Digital-Umwandlem benötigt, um die seismischen Signale exakt innerhalb eines Amplitudenbereiches, der für die Analog-Digital-Umwandler geeignet ist, zu reproduzieren. Dadurch wird es möglich, den gesamten Amplitudenbereich des Systems meßtechnisch zu erfassen.

Da seismische Signale üblicherweise einen sehr breiten Amplitudenbereich aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von 120 db, hat man bisher diese Signale häufig in einen geringeren Bereich komprimiert, beispielsweise in den Bereich von 78 db, so daß die Signale in einem Analog-Digital-Umwandler verarbeitet und gespeichert werden konnten. Verschiedene Einrichtungen zur Regulierung des Verstärkungsfaktors sind benutzt worden, um eine derartige Komprimierung durchzuführen, beispielsweise benutzte man eine programmierte Regulierung des Verstärkungsfaktors, bei der der Verstärkungsfaktor längsam zwischen vorgegebenen Grenzen gewechselt wird, im gleichen Maße wie die Durchschnittsamplitude der seismischen Signale sich verändert. Ein anderes Beispiel eines typischen automatischen Verstärkungsfaktorreguliersystems verwendet die zeitliche Mitteilung der verstärkten seismischen Energie, um den Verstärkungsfaktor einzustellen. In neuerer Zeit sind Verstärker entwickelt worden, die einen stufenweisen Wechsel des Verstärkungsfaktors vornehmen und die in gewisser Weise die Signalamplitude innerhalb eines Zeitfensters des seismischen Speichers ausnutzen. Eine Art von Verstärkersystemen, bei denen der Verstärkungsfaktor stufenweise geändert wird, ist allgemein bekannt als Verstärker mit binärem Faktor, wie er zum Beispiel in den USA.-Patentschriften 3308392 (McCarter) und 3315233 (Hibbard) beschrieben wird. Verstärkersysteme mit stufenweisem Faktorwechsel sind auch in den USA.-Patentschriften 2967292 (Eisner), 3241100 (Loofbourrow) und 3 264574 (Loofbourrow) beschrieben.

Der Erfindung lag insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine stufenweise Regulierung des Verstärkungsfaktors und eine automatische Regulierung des Verstärkungsfaktors in Form einer automatisehen schnellen digitalen Faktorregulierung für breiten Amplitudenbereich möglich ist und bei der eine automatische Festsetzung eines optimalen Verstärkungsfaktors, der auf der augenblicklichen Amplitude des Eingangssignals beruht, realisierbar ist. Erfin-

¹S dungsgemäß wird das mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art erreicht, die gekennzeichnet ist durch einen Multiplexer, von dem ein automatisch ablaufender Abfragezyklus für die einzelnen Kanäle ausgeht, wobei in jedem Zyklus die Verstärkerausgänge jedes Kanals nacheinander über eine gemeinsame Verstärker-Ausgangsstufe an eine Komperatorschaltung zur Ermittlung, ob das Signal in einem vorbestimmten Amplitudenbereich liegt, angeschlossen sind, und durch einen Analog-Digital-Umwandler

»5 zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich liegenden Signale sowie durch vom Multiplexer gesteuerte Schalteinrichtungen zur Schaltung des nächsten Verstärkerelementes bei Nichterreichung des vorbestimmten Amplitudenbereiches durch das vorliegende Signal.

Vorteilhaft kann dabei ein Verstärkersystem mit einem Verstärkernetzwerk vorgesehen sein, einschließlich einer Vielzahl von Verstärkerstufen und Hilfsmitteln, um eine Vielzahl von progressiv unterschiedlichen vorbestimmten Verstärkungsfaktorbereichen für das genannte Netzwerk einzurichten, ferner Mittel, um während des sukzessiven Abtastens des Eingangssignals von einem zum anderen dieser Verstärkungsfaktorbereiche umschalten zu können, während die Signale durch das genannte Netzwerk hindurch zu einem gemeinsamen Ausgang geleitet werden und außerdem Mittel für wahlweises Aufrechterhalten eines der vorgenannten Verstärkungsfaktorbereiche während eines Haltezeitintervalls, das deutlich länger als das Abtastintervall ist, wenn das zum Ausgang geleitete Signal in einer vorbestimmten Beziehung zum genannten Bezugssignal steht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Mittel für das Einrichten der progressiv

unterschiedlichen Verstärkungsfaktorbereiche ihrerseits Mittel für wahlweises Verbinden der entsprechenden Kaskadenstufenausgänge mit dem gemeinsamen Ausgang während des Abtastintervalls enthalten, und die Mittel für das wahlweise Aufrechterhalten eines dieser Verstärkungsfaktorbereiche können Mittel für das wahlweise Aufrechterhalten der Verbindung zwischen einem Kaskadenstufenausgang und dem gemeinsamen Ausgang während des HaltezeitintervaUs enthalten.

Vorteilhaft wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der genannte gemeinsame Ausgang den die Digitalsignale produzierenden Analog-Digital-Umwandler mit einem digitalen Speicher verbunden. Letzterer speichert die Signalinformation,

die mit dem augenblicklichen Digitalwert des Signals an der gemeinsamen Ausgangsschaltung korrespondiert und mit dem Verstärkungsfaktorniveau, mit dem das Sipnal durch das Svstem hindurch übersetzt wird.

wobei dieses Niveau bestimmt wird durch denjenigen Verstärkungsfaktorbereich, der während des Haltezeitintervalls aufrechterhalten wird, während das Signal an den gemeinsamen Ausgang geleitet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Verstärkersystem für breiten Amplitudenbereich einen Teil eines seismischen Datenverarbeitungssystem einschließlich von Hilfsmitteln, um seismische Signalinformationen in den Eingang des Verstärkersystems einzugeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen näher erläutert, in denen folgendes gezeigt wird.

F i g. 1 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform. Es zeigt ein seismisches Datenverarbeitungssystem mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Verstärkersystemen für breiten Lautstärkebereich mit automatischer schneller Regulierung des Verstärkungsfaktors. *°

Fig. 1 a ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform. Es illustriert detailliert einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Systems, nämlich denjenigen Teil des Systems, das als Element J in F i g. 1 gekennzeichnet ist.

F i g. 2 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform, das eine andere Art eines seismischen Datenverarbeitungssystems illustriert, wobei dieses System eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Verstärkersystemen für breite Lautstärkebereiche enthält.

F i g. 2 a ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform, das detailliert den Teil der Fig. 2 wiedergibt, der dort als Element /' gekennzeichnet ist.

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild in Blockform, das detailliert die Teile der Systeme der F i g. 1 und 2 wiedergibt, die dort als Detail A gekennzeichnet sind.

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform, das detailliert die Teile des Systems der F i g. 1 und 2 wiedergibt, die dort als Detail B gekennzeichnet sind.

Fig. 4a ist ein Diagramm, das die charakteristischen Frequenzen der Schaltung, die in den Fig. 1, 2 und 4 als Detail B gekennzeichnet ist, wiedergibt.

Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild, das detailliert den in F i g. 1 mit C bezeichneten Teil wiedergibt.

Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform, das detailliert den in den Fig. 1 und 2 mit D bezeichneten Teil des Systems wiedergibt.

Fig. 7 ist ein schematisches Schaltbild in Blockform, das detailliert den als E bezeichneten Teil der Fig. 1 und 2 wiedergibt.

Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild in Blockform, das detailliert den in den Fi g. 1, 1 a, 2 und 2 a mit F bezeichneten Teil wiedergibt.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Amplitude eines Signals nach der Verstärkung, die das charakteristische eines Beispiels eines Verstärkersystems gemäß der Erfindung illustriert.

In Fig. 1 ist ein System zur Verarbeitung und Speicherung seismischer Signale gezeigt. g„ g₂ und g, repräsentieren drei Exemplare einer an sich beliebig großen Anzahl von Geophonen. Geophone sind Vorrichtungen, die akustische in elektrische Signale umsetzen und an sich bekannt sind. Jedes einzelne dargestellte Geophon kann in Wirklichkeit seinerseits eine Gruppe oder eine Vielzahl von individuellen Geophonen darstellen, deren entsprechende Ausgänge zu sammengeschaltet sind, um ein gemeinsames Geophonsignal zu ergeben.

Es ist übliche Praxis in der seismischen Erforschung, eine Anzahl derartiger Geophone in aufeinanderfolgenden Entfernungen von einer Quelle seismischer Energie dem sogenannten Schußpunkt anzuordnen. Die Geophone ermitteln die akustische Energie, die vom Schußpunkt ausgehend über verschiedene Wege kommend bei ihnen eintrifft. Die von den Ausgängen der einzelnen Geophone gelieferten Signale werden in Form einer Kurvenschar in Abhängigkeit von der Zeit fixiert. In Übereinstimmung mit dem hier im folgenden offenbarten System werden die Signalinformationen der einzelnen Geophonausgänge in zugeordneten Signalkanälen verstärkt und der Analog-Digital-Umwandlung zugeführt und dann auf Magnetband gespeichert. Derart auf Band gespeicherte Signale können, sofern gewünscht, reproduziert oder in die analoge Form rückverwandelt werden und in Form von Kurven gespeichert werden, so wie es hier offenbart ist. Jedoch ist es von größerer Wichtigkeit, daß solcherweise digital gespeicherte Signale einer modernen Datenverarbeitungstechnik unterworfen werden können, wobei Hochleistungsdigitalkomputer und verwandte Einrichtungen eingesetzt werden können.

Die hier offenbarte Verstärkerschaltung besitzt den weiteren Vorteil, daß es ein Ausgangssignal ausgibt, das in der sogenannten »Gleitkomma«-Form gespeichert werden kann. Zum Beispiel kann das Ausgangssignal als ein digitales Wort gespeichert werden, das eine Mantisse und einen Exponenten enthält, so wie es genauer im folgenden beschrieben wird. Ein derartiges digitales Wort repräsentiert exakt den absoluten Wert des korrespondierenden Eingangssignals. Durch Speicherung von Gleitkomma-Signalen auf Magnetband ist es möglich, nicht nur den Relativwert, sondern auch den Absolutwert der Verstärkersignale zu konservieren.

In Fig. 1 sind die Geophone g,, g₂ und g, an die Eingänge der ihnen zugeordneten Kanäle 1, 2 und η angeschlossen. Die Kanäle sind im wesentlichen identisch. Einander zugeordnete Elemente werden durch entsprechende Bezugsziffern beziehungsweise durch mit diesen Ziffern indizierte Buchstaben gekennzeichnet. Während in der dargestellten Ausführungsform drei Kanäle gezeichnet sind, soll der Kanal η den letzten einer beliebigen Anzahl solcher Kanäle repräsentieren. In den meisten Fällen enthalten Systeme zur Verarbeitungseismischer Daten 12,24 oder eine noch größere Zahl γοη Kanälen.

Jeder der Kanäle 1 bis η enthält eine Vielzahl von Verstärkerstufen A und B₁ bis B₄, die in Kaskade geschaltet sind, ferner eine zugeordnete Schaltung einschließlich einer gemeinsamen Ausgangsschaltung F und Mittel für das wahlweise Anschließen des Ausgangs jeder einzelnen Verstärkerstufe an den gemeinsamen Ausgang F, sofern das Signal des Ausgangs dieser Verstärkerstufe zu einer vorgegebenen Bezugsspannung in bestimmter Beziehung steht. Hierbei wird das Eingangssignal in der unten beschriebenen Weise in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgetastet. Jeder der Kanäle 1 bis π ist mit einem System zur Verarbeitung und Speicherung seismischer Signale einschließlich noch zu beschreibender Mittel verbunden, wobei die Ausgänge der einzelnen Kanäle 1 bis η über einen Multiplex zeitlich aufeinanderfolgend zugeteilt werden, so daß die Signale der Geophone

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ίο

g, bis g„ verarbeitet und einem einzigen Analog-Digi- Verstärkung oder Abschwächung und einen Impe-

tal-Wandler zugeleitet werden können und schließlich danztransformator. In einer Ausführungsform kann

einem hier nicht dargestellten digitalen Bandspeicher. jede dieser Vorrichtungen zur Bandbreitenbestim-

Jetzt werden die Einzelheiten des Teils der Fig. 1, mung D₁ bis D₅ Mittel enthalten zur Entfernung der

der den Kanal 1 enthält, beschrieben. Man erkennt, 5 Gleichstromkomponente aus dem Signal. Jede der

daß deir Ausgang des Geophons g, mit dem Eingang " " ' ' -----'-* " >-^:- ¹^ —♦«-«'·· »»"h

der Eingangsstufe A des Kanals 1 gekoppelt ist, wobei die Eingangsstufe A schematisch als Block A dargestellt und genauer in Fig. 3 als Detail A illustriert ist. Block A enthält eine geeignete Eingangsschaltung wie einen Eingangstransformator, einen Präzisionsvorverstärker, seismische Filter, eine Abgleichschaltung für eine Begrenzung nach oben, sonstige Filter und logische Gatter zur Steuerung des Eingangsabschwächers EA sowie der Präzisionsvorverstärkerstufe A_v Dieser Block A erzeugt ein binär kodiertes Signal, das die Gesamtverstärkung dieser Stufe des Systems auf eine Weise präsentiert, die später genauer beschrieben werden wird. Die Kombination des Eingangsabschwächers EA des Blocks A und dessen Präzisionsverstärker werden normalerweise von Hand justiert, um eine vorbestimmte Gesamtverstärkung zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll der Verstärkungsfaktor des Blocks A jedoch 6* sein, so daß k addiert bzw. subtrahiert werden kann zum bzw. vom Exponenten, der durch die folgenden Stufen des Kanals bestimmt wird. Für eine Ausführungsform dieses Systems ist A = I und b — 8. Es ist weiterhin dargestellt, daß der Ausgang des Bandbreiteneinrichtungen D₁ bis D₅ enthält auch Schaltelemente, welche die jeweiligen Ausgänge der Eingangsstufe A und Verstärkerstufen B₁ bis B₄ von den Signaleingängen der zugeordneten Blöcke E₁ bis E₅ trennen. Letztere sind ausführlich als Detail E in Fig. 7 illustriert und bedeuten elektronische Schalter. Mit anderen Worten, die jeweiligen Ausgänge der Bandbreiteneinrichtungen D, bis D₅ sind mit den jeweiligen zugeordneten Schaltern E₁ bis E, gekoppelt. »5 Jede der Bandbreiteneinrichtungen D, bis D₅ enthält auch Mittel, um sie an das jeweilige Gleichstromniveau des gemeinsamen Ausgangs aller Schalter E₁ bis E₅ anzupassen.

Die Bandbreiteneinrichtungen D₁ bis D₅ bieten Mittel zum Anpassen der Bandbreite der verschiedenen Signalwege vom Eingang eines speziellen Kanals bis zum gemeinsamen Ausgang. Beispielsweise können die aufeinanderfolgenden Signalwege vom Eingang des Blocks A durch die verschiedenen elektronisehen Schalter E₁ bis E₅ bis zum gemeinsamen Ausgang, der das Detail F enthält, egalisiert werden, so daß die Bandbreiten dieser verschiedenen Wege gleich sind. Vorzugsweise sollen sich die verschiede-

_. _ _o. ^ nen Bandbreiten aller Signalwege nach dem längsten

Blocks A direkt mit dem Eingang des ersten einer Se- 3° Weg richten, nämlich dem Weg durch die letzte Verrie von in Kaskade geschalteten Präzisions-Verstär- stärkerstufe der Kaskade. Es ist derjenige Weg, der

die Verstärkerstufe B₄ und den Schalter E₅ enthält, wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht.

Zusätzlich zur Bandbreitenanpassung enthalten

kung mit einem gewissen Basiswert b zum Exponen- 35 diese Einrichtungen auch Mittel, um die Phasen der ten k. Beispielsweise ist k = 8, wenn in einer Ausfüh- verschiedenen Signalwege anzupassen, so daß sie mit

der Phase des längsten Weges, wie in oben beschriebener Weise, übereinstimmen. Es soll bemerkt werden, daß beim Gebrauch linearer Schaltelemente die Phasenegalisierung der verschiedenen Wege auch aui eine Bandbreitenegalisierung hinausläuft.

Die Blöcke D trennen auch die Eingänge der zugeordneten Blöcke E von den jeweiligen Eingängen dei nachfolgenden Blöcke B.

In der illustrierten Ausführungsform trifft diese; natürlich nicht für den Block D₅ zu, weil keine weitere Kaskadenstufe folgt, die durch den Block D, vorr Schalter E₅ zu trennen wäre.

kerstuien gekoppelt ist, die schematisch als Blöcke B₁ bis B₄ und genauer als Detail B in Fig. 4 dargestellt sind. Diese Blöcke bieten eine Wechselstromverstär-

rungsform r> = 8 und k - 1 ist bei einer Gleichstromverstärkung mit dem Faktor J. Jede der Prazisions-Verstärkerstufen B₁ bis B₄ ist ein nicht invertierender Breitbandverstärker, dessen Verstärkungsfaktor durch Präzisionswiderstände in seiner Rückkoppelungsschleife vorgegeben werden kann, wie unten beschrieben werden wird.

Die Eingänge der Prazisions-Verstärkerstufen B₁ bis B₄ sind mit konstanten Spannungsquellen C₁ bis C₄ gekoppelt, wobei letztere als Detail C in Fig. 5

ausführlich dargestellt sind. Jede der Begrenzungsschaltungen C₁ bis C₄ liefert sowohl positive als auch
negative Gleichstrombezugsspannungen und enthält
aus der Elektronik an sich bekannte Mittel zur Begrenzung des Eingangs der nachfolgenden Präzisions-Verstärkerstufe, um diese vor großen Signalüberspannungen und Verzerrungen zu bewahren.
Obgleich eine konstante Spannungsquelle in Verbindung mit dem Eingang jeder Präzisions-Verstärker- 55 sches Hochgeschwindigkeits-Schalrnetzwerk
stufe dargestellt ist, soll bemerkt werden, daß die schließlich einer oder mehrerer logischer Eingangs Funktion einer derartigen konstanten Spannungs- gatter für »ein«- oder »aus«-Zeiten, einer Schaltvor quelle, z. B. den nachfolgenden Verstärker vor Über- richtung vorzugsweise in Form eines Feldeffekt-Tran lastung zu schützen, auch direkt durch eine entspre- sistors (FET) und einer Steuerschaltung für di< chende Ausführung des Verstärkers an sich erreicht ⁵<> Übersetzung der eingehenden »ein«- oder »aus«-Si werden kann. gnale in Signale, welche den Feldeffekt-Transistor be

An die jeweiligen Ausgänge der Blöcke A und B, cinflussen.

In der illustrierten Ausführungsform ist diesel so letzte Block D₅ nützlich für die Anpassung der yer schiedenen Verstärkerausgangswege an das Gleich Stromniveau des gemeinsamen Ausgangs aller Schal ter und ist vorzugsweise für diesen Zweck vorgesehen Jeder der Schalter E₁ bis E₅ enthält ein elektroni "ein

bis B₄ sind die Blöcke D, bis D₅ gekoppelt. Jeder dieser Blöcke D₁ bis D₅ ist eine Einrichtung zur Band-Die jeweiligen Ausgänge jedes Schalters E, bis B sind mit dem Eingang einer Verstärker-Ausgangsstuf

breitenbestimmung und ist ausführlich als Detail D «5 gekoppelt, der schematisch als Block F dargestellt is in Fig. 6 illustriert. So ein Block D enthält eine Ein- und ausführlich als Detail F in Fig. 8 wiedergegebe richtung zur Phasenkompensation, eine Einrichtung wird. Es soll betont werden, daß der Eingang der Vei zur Kalibrierung des Verstärkerfaktors für präzise stärker-Ausgangsstufe F eine gemeinsame Verbir

dung für die Ausgänge von allen Schaltern E₁ bis E₅ darstellt. Es sind somit alle Kanäle mit dem Eingang dieses einen gemeinsamen Blocks F verbunden.

Die Verstärker-Ausgangsstufe F hat eine relativ hohe Eingangsimpedanz. Sie ist vorzugsweise von der Größenordnung 10⁷ mal des »ein«-Widerstandes des Feldeffekt-Transistor-Ausgangs des jeweiligen Schalters E₁ bis E₅, das an den Eingang angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform, die eine Verstärkerstufe vom »Nachfolge«-Typ verwendet, ist die Ausgangsimpedanz der Verstärker-Ausgangsstufe F im wesentlichen Null und der Faktor davon ist normalerweise 1,000.

Hier soll bemerkt werden, daß eine Kombination vor irgendeiner Anzahl der vorgenannten äußerst schnellen Schalter, wie E, bis E₅, mit einem einzelnen Hochgeschwindigkeitsverstärker und Impedanz-Umformer, wie Block F, in der hier offenbarten Schaltung gemeinsam mit unten beschriebenen Prüfelementen einen Hochgeschwindigkeits-Multiplexer oder Kommutator darstellt, in welchem relativ billige Schaltelemente, z. B. Feldeffekt-Transistoren mit nicht präzisem »ein«-Widerstand benutzt werden können, wobei ein wesentlicher Vorteil darin besteht, daß die Schalter ersetzt werden können, ohne daß die Verstärkerwege neu kalibriert zu werden brauchen.

Der Ausgang des Blocks F ist mit den Eingängen von zwei digitalen Entscheidungseinrichtungen gekoppelt, die schematisch als Blöcke H und / dargestellt sind. Sie haben die Funktion, zu entscheiden, ob die Ausgangsamplitude der Verstärker-Ausgangsstufe F entweder die positive (Einrichtung H) oder die negative (Einrichtung /) Bezugsspannung (+ V oder — V) überschreitet. Die Quelle für die Bezugsspannung ist schematisch als Block G dargestellt.

Die digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / sind an sich bekannte Schaltungen des Typs, der im allgemeinen klassifiziert ist als »Spannungs-Vergleicher« wie sie beispielsweise auf den Seiten 45 und 46 in »Handbook of Operational Amplifier Applications«, veröffentlicht durch die Burr-Brown Research Corporation, Tucson, Arizona, 1963. beschrieben sind.

Die Einrichtung Ci ist eine bekannte Schaltung desjenigen Typs, den man auf Seite 49 der eben zitierten Referenz findet.

Die Gleichstromquelle G hat eine Präzisionsspannung mit zwei Ausgängen, von denen der eine eine positive Spannung gibt, die an die Einrichtung H angelegt ist und der andere eine negative Spannung liefert, die an die Einrichtung / angelegt ist. Beide Bezugsspannuügcn der Gleichstromquelle G, sowohl die positive als auch die negative, sind vorgegeben. Sobald das Ausgangssignal des Blocks F eine der vorgegebenen Bezugsspannungen überschreitet, entweder die positive oder die negative, wird ein Vergleichssignal durch die Entscheidungseinrichtung H bzw. / ausgelöst und an ein digitales Kontroll- und Multiplexnetzwerk, das schematisch als Block J gekennzeichnet ist, weitergeleitet. Block J ist ausführlich in Fig. la als Detail J dargestellt. Block J seinerseits kontrolliert den Kontrolleingang des entsprechenden elektronischen Schalters, nämlich des entsprechenden Details E im gesperrten oder leitenden Zustand und dann geht das zu vergleichende Signal durch, so daß der erwähnte Schalter für die Dauer eines Abtastvorganges eingeschaltet bleibt, damit die Analog-Digital-Abtast-und-Halteoperation in einer unten beschriebenen Weise vonstatten gehen kann.

Der digitale Multiplexer J funktioniert als Programmierung für die Schalter E₁ bis E₅. Das Netzwerk reagiert auf ein Synchronisiersignal, das heißt auf einen »sync«- oder »gcK-Impuls, das über den »sync«- Eingangskanal von einer geeigneten digitalen Uhr hergeleitet wird. Beispielsweise kann der »sync«-Impuls vom Analog-Digital-Wandler kommen. Als Reaktion auf solch einen »sync«- oder »go«-Impuls

ίο schaltet der Multiplexer J in zeitlicher Folge die aufeinanderfolgenden Schalter E₁ bis E₅. Das System kann so eingerichtet sein, daß es die Schalter entweder abwärts oder aufwärts in der Folge kontrolliert, z. B. von E₁ bis E₅ oder von E₅ bis E₁. Die bevorzugte

Art der Arbeitsweise wird später diskutiert werden. Nehmen wir an, daß das System so programmiert ist, daß es die jeweiligen Schalter E₁ bis E₅ z. B. des Kanals 1 kontrolliert und danach die Kanäle 2 bis η durchgeht. Im Verlaufe des Kontrollierens des Ka-

nals 1 wollen wir annehmen, daß der Schalter E₁ eingeschaltet ist, infolge der Wirkung des Kontrollsignals S₁ vom digitalen Multiplexer J, welches seinerseits auf einen »sync«- oder »go«-Impuls vom Analog-Digital-Wandler AD reagiert hat. In diesem Augenblick wird ein in den Eingang des Geophons g, eingegangenes Signal durch die Eingangsstufe A geleitet, von dort durch die Bandbreiteneinrichtung D₁, dann weiter durch den eingeschalteten Schalter E₁ zum gemeinsamen Ausgang, der die Verstärker-Ausgangsstufe F enthält, welcher seinerseits ein Signal gleichzeitig an die digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / abgibt, welche das eingegangene Signal mit der positiven und negativen Bezugsspannung + V und - V vergleichen, die von der Gleichstrom quelle G geliefert wird. Wenn das eingegangene Signal in seiner Amplitude entweder die positive an H anliegende Bezugsspannung oder die negative an / anliegende Bezugsspannung überschreitet, wird das Durchtesten, das durch den Multiplexer J gesteuert wird, gestoppt, womit der Schalter E, während des restlichen Zyklus eingeschaltet gehalten wird, so daß das Ausgangssignal durch den Block F zum Analog-Digital-Wandler und zur digitalen Kontrollogik geleitet werden kann, deren Arbeitsweise noch genauer erläutert werden wird.

Jetzt soll noch einmal zur Arbeitsweise des Multiplexers J zurückgekehrt werden. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Situation soll jetzt angenommen werden, daß das Schaltnetzwerk E₁ momentan eingeschaltet ist, als Reaktion auf ein Signal vom digitalen Multiplexer J und daß der Ausgang der Verstärker-Ausgangsstufe F weder die positive noch die negative Bezugsspannung, die von der Gleichstromquelle G geliefert wird, überschreitet. In diesem Fall wird dei Multiplexer J den Schalter E₁ ausschalten und der nächsten darauffolgenden Schalter E₂ einschalten Das Signal, das zu dem zweiten Schalter E₂ geleite worden ist, wird dann in der gleichen Weise geteste werden, wie das Signal, das durch den ersten Schalte E₁ gegangen ist. So werden die gleichen Vergleich* mit der positiven und negativen Bezugsspannung an gestellt werden, um zu bestimmen, ob der Multiple xer J dem zweiten Schalter E₂ in eingeschalteter Stel lung halten soll oder nicht oder ob durch den ganzei

Zyklus das Testen hindurch fortgesetzt werden soll bis ein Signal durch einen von den Schaltern E₁ bi E₅ angeliefert wird, das die positive oder negative Be zugsspannung überschreitet. Für den Fall, daß dies

Bedingungen durch den ganzen Zyklus hindurch nicht erfüllt werden, daß also der Multiplexer J die Schalter E₁ bis E₅ kurzzeitig vorübt -/gehend einschaltet, ohne daß ein Signal an H oder /, das die vorgegebenen Bezugsspannungen überschreitet, angeliefert wird, wird der Zyklus am fünften im eingeschalteten Zustand befindlichen Schalter E₅ gestoppt Der Zyklus wird erneut beginnen, als Reaktion auf den nächsten »sync«- oder »go«-Impuls, der in den Multiplexer J eingeht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die für die Entscheidung über irgendeine Stellung der Schalter E₁ bis E₅ erforderliche Zeit ein Minimum von einer halben Mikrosekunde.

Jedem »sync«- oder »go«-bnpuls, der in den Multiplexer J eingeleitet wird, ist ein zweites Signal zugeordnet, und zwar ein Kanalnummerimpuls, weicher einen Satz von Schaltern in einem speziellen der Kanäle 1 bis η auswählt.

Der Multiplexer J enthält auch den Exponentenaddierer sowie Mittel für die Zuteilung der den Exponenten entsprechenden digitalen Signale K₁, K₂, K₃ zum digitalen Speicher. Diese Signale werden vom Ausgang des Multiplexer J zum Block AD, der den Analog-Digital-Wandler und die Kontrollogik enthält, geleitet und von dort zur Aufzeichenvorrichtung des in der Abbildung nicht dargestellten digitalen Bandspeichers. Die digitalen Exponentensignale K₁, K₂ und K₃ liefern dem Analog-Digital-Wandler Informationen über die Größenordnung des gesamten Verstärkungsfaktors des Verstärkersystems, wie es durch den Block A gefordert worden ist. Mit anderen Worten, das von der gemeinsamen Verstärker-Ausgangsstufe F zum Analog-Digital-Wandler geleitete Signal enthält den Wert des verstärkten Signals innerhalb eines gewissen Bereichs, nämlich die Mantisse. Die digitalen Exponenten-Signale geben den Exponenten des Verstärkungsfaktors, mit dem das Signal verstärkt worden ist und welcher durch die Konfiguration der Schalter E_x bis E₅ bestimmt wird, von denen nur ein einziger eingeschaltet und für das dem Analog-Digital-Wandler zugelieferte Signal verantwortlich ist.

Es soll bemerkt werden, daß durch diese Art der Aufzeichnung auf dem Magnetband des nicht dargestellten Speichers in Form einer digitalen Gleitkomma-Zahl, d. h. in der Form von Mantisse und Exponent, es ermöglicht wird, die absolute Amplitude des seismischen Signals, wie es vom jeweiligen Geophon erzeugt wird, zu fixieren.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Analog-Digital-Wandler einen Abtast- und Haltestromkreis enthält und auch eine Quelle für echte Zeitimpulse. Der Abtast- und Haltestromkreis garantiert einen hinreichenden Zeitraum für das Abtasten des angelieferten Signals und für dessen Analog-Digital-Wandlung zum Zwecke der Speicherung in digitaler Form auf einem geeigneten nicht dargestellten Speicher, der an den Ausgang des Analog-Digjtal-Wandlers angeschlossen ist. Der Speicher kann irgendeine geeignete Vorrichtung, etwa ein digitaler Bandspeicher, sein.

Die Arbeitsweise des Multiplexers J kann besser an Hand der Fig. la verstanden werden, in der die den Multiplexer J bildenden Elemente innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rahmens enthalten sind. Eines dieser Elemente ist ein »ausschließlich oder«- Gatter OG, an das die Ausgänge der zwei digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / angeschlossen sind. Das »ausschließlich oder«-Gatter OG ist eine an sich bekannte Schaltung, die nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn die beiden Eingangssignale digital voneinander verschieden sind. Ein vom »ausschließlich oder«-Gatter OG ausgehendes Signal, das

einer Kombination aus der Entscheidungseinrichtung// und der Entscheidungseinrichrung / entspricht, wird einem als »Auslösung 1« bezeichneten ersten Eingang einer Amplitudengedächtnislogik ML zugeführt, welche eine an sich bekannte Schaltung ist,

ίο die im wesentlichen aus Flip-Flops bestehen. Die Amplitudengedächtnislogik ML enthält noch einen zweiten als »Auslösung 2« bezeichneten Eingang, dem ein Zeitsignal vom ersten Ausgang eines Zejtdekodierregisters ZR zugeführt wird, welches eine übliche Schal-

tung für Binär-Dszimal-Wandlungen ist, wie sie zum Beispiel in »Digital Computer Primer« von E. M. McCormick beschrieben wird, speziell dort auf Seite 135 (veröffentlicht durch McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1959). Das Zeitdekodierregi-

ao ster ZR besitzt auch einen zweiten und dritten Ausgang, aus denen »Set«- und »Resetc-Signale dem zweiten und dritten Eingang der Amplitudengedächtnislogik AfLzugefühn werden. Das Zeitdekodierregister ZR wird programmiert von Signalen, die aus ei-

*5 nem »teile durch 32«-Flip-Flop-Zähler FC kommen, welcher mit seinem ersten Eingang an eine Bezugsfrequenzquelle CL für Zeitimpulse mit konstanter Frequenz angeschlossen ist, die in der Abbildung beispielsweise als eine 1,024 MHz-Uhr dargestellt ist.

Der »teile durch 32«-Flip-Flop-Zähler ist ebenfalls eine an sich bekannte Schaltung für die Lieferung von 32 möglichen Zeitimpulsen. In der illustrierten Ausführungsform ist es nämlich erwünscht, einen Arbeitszyklus von nominell 31 Mikrosekunden zu haben,

und die Möglichkeit zu haben, Impulse auszuwählen, die innerhalb von Intervallen mit einer nominellen Dauer von 1 Mikrosekunde liegen. Der »teile durch 32«-Flip-Flop-Zähler enthält eine nicht dargestellte »reset«-Schaltung und einen zweiten Eingang für die

Aufnahme von »resetc-Signalen von einer Quelle für »go«- oder »sync«-Impulse, welche wie in Fig. 1 dargestellt, durch den Block AD, der den Analog-Digital-Wandler und die Kontrollogik enthält, gegeben ist. Die Amplitudengedächtnislogik ML ist mit ihrem

Ausgang an den ersten Eingang 1' eines »Und«-Gatters UG angeschlossen. Der zweite Eingang 2' dieses »Und«-Gatters UG ist an einen Ausgang des Zeitdekodierregisters ZR angeschlossen, durch den ein »stelle Schalterzähler weiter«-Signal geführt wird.

Das »Und«-Gatter UG kann eine an sich bekannte Schaltung sein, die nur dann anspricht, wenn gleichzeitig zwei geeignete Signale durch ihre Eingänge 1' und T eingehen und dann ein Ausgangssignal liefert, welches dem Eingang 1" eines Schalterzählers SC zu-

geführt wird. Der Schalterzähler SC ist eine an sich bekannte Schaltung, die im wesentlichen aus einer Vielzahl von Flip-Flops in Kaskadenschaltung besteht. Der Eingang 2" des Schalterzählers ist mit einem vierten Ausgang des ZeitdekodieiTegisters ZR ver bunden und erhält von diesem ein »reset«-Signal.

Der Schalterzähler SC enthält eine Vielzahl von Ausgängen, von denen drei zeichnerisch dargestellt sind, für die Zuleitung von die Exponenten darstellenden Signalen X₁, X₂ und X₃ zu den entsprechenden

Eingängen des Exponentenaddierers ES. Der Exponentenaddierer £5 enthält darüber hinaus eine Vielzahl von zusätzlichen Eingängen, von denen drei zeichnerisch dargestellt und mit Y₁, Y₂ und V₃ be-

zeichnet sind, für die Aufnahme von Binär-Signalen vom Block A, die der Gesamtverstärkung entsprechen. Der Exponentenaddierer ES enthält seinerseits eine Vielzahl von Ausgängen, von denen drei zeichnerisch dargestellt und mit K₁, X₂ und X₃ bezeichnet sind. Diese Ausgänge sind idenüch mit den Ausgängen der Fig. 1, die dort von dem Multiplexer J ausgehen und in Fig. 1 ebenfalls mit X₁, X₂ und X₃ bezeichnet sind. Der Exponentenaddierer ES ist eine an sich bekannte Einrichtung, die aus einer Vielzahl von Flip-Flops besteht und aus »Und«- sowie »Oder«-Gattern. Seine Funktion besteht in der Addition und Speicherung der durch die Eingänge eingehenden Signale, sobald das »Addierexponenten«-Signal gegeben wird.

Die dem Exponenten entsprechenden Signale X_x, X₂ und X₃ werden vom Schalterzähler SC, wie in Fig. 1 a dargestellt, den entsprechenden Eingängen einer Steuerschaltung VM zugeleitet. Die Steuerschaltung VM besitzt 5mal η Ausgänge, die mit 1-S₁ bis 1-S₅ sowie 2-S₁ bis 2-S₅ usw. und schließlich n-S_x bis n-S_s bezeichnet sind. Die aus diesen Ausgängen ausgehenden Signale werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist, den Schaltern E₁ bis E₅ des ersten Kanales sowie den Schaltern E₁ bis E₅ des zweiten Kanals usw. und schließlich den Schaltern E₁ bis E₅ des n-ten Kanals zugeführt. Die letztgenannten Signale steuern oder programmieren die Schalter E₁ bis E₅.

Die Steuerschaltung VM enthält ferner eine Vielzahl von Eingängen für das Empfangen von Kanalnummersignalen, die vom Block AD geliefert werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Aufgabe der Kanalnummersignale besteht darin, die Funktion der Steuerschaltung VM derart zuzuordnen oder zu synchronisieren, daß die Kanalprogrammiersignale in der gewünschten Reihenfolge auftreten. Die Verstärkerschaltlogik- und Multiplexvorrichtung VM ist eine übliche Schaltung für die Binär-Digital-WandJung.

Die Steuerschaltung VM steuert oder programmiert also die Reihenfolge, in der die Schaltsignale S₁ bis S₅ angewendet werden und mit denen die Schalter E₁ bis E₅ der verschiedenen Kanäle 1 bis η geschaltet weiden.

Die Steuerschaltung VM ist so programmiert, daß sie in einer zeitlichen Aufeinanderfolge zuerst alle Schalter E₁ bis E₅ des ersten Kanals, dann alle Schalter E₁ bis E, des zweiten Kanals usw. und schließlich alle Schalter E₁ bis E₅ des η-ten Kanals durchgeht. Die soeben beispielhaft aufgezählte Schaltreihenfolge, die beim Kanal 1 beginnt und beim Kanal η endet, kann jedoch auch eine andere sein. In jedem Fall wird die Reihenfolge der Kanäle durch die Kanalnummersignale bestimmt, die dem Multiplexer J zugeführt werden, und welche eine Funktion der vom Block AD gelieferten Signale ist, wie sich aus Fig. 1 ergibt.

Jetzt wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, welche im wesentlichen der von Fig. 1 gleicht, sich jedoch in den Mitteln für das Multiplexen unterscheidet. In der Ausführungsform der Fig. 2 wird das Multiplexen durch einen gemeinsamen Kanal-Multiplexer XM ausgeführt, wobei die Steuerung von einem modifizierten digitalen Multiplexer übernommen wird, das als Block J' dargestellt ist und ausführlicher in der Fig. 2a als Detail /' bezeichnet ist.

Während die Ausgänge der einzelnen Kanäle 1 bis 2 der Ausführungsform der F i g. 1 alle an den Eingang einer gemeinsamen Verstärker-Ausgangsstufe F angeschlossen find, ist in der Ausführungsform der Fig. 2 für jeden der Kanäle 1 bis η eine separate Verstärker-Ausgangsstufe F vorgesehen. Die jeweiligen

Ausgänge einer jeden dieser separaten Verstärker-Ausgangsstufen F sind an die entsprechenden Eingänge des Multiplexers XM angeschlossen, dessen gemeinsamer Ausgang an die zugeordneten Eingänge der digitalen Entscheidungseinrichtungen H und /

ίο zwecks Vergleich mit einer Bezugsspannung t + V, — V) in der für die Ausführungsform der Fi ε. i beschriebenen Weise angeschlossen ist.

Der Multiplexer XM der Fig. 2 enthält zusätzlich noch einen Eingang für ein »sync«-Signal, der an den

¹S Ausgang des Blocks AD angeschlossen ist. Das »sync«-Signal synchronisiert die Arbeitsweise des Multiplexers XM. Dieser ordnet die von den Kanälen 1 bis η ankommenden Signale nach Maßgabe von Synchronisierimpulsen in eine zeitliche Reihenfolge

ein, er verbindet die Ausgänge der einzelnen Kanäle in einer ausgewählten Reihenfolge über die digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / mit einem modifizierten digitalen Multiplexer J', dessen Details ausführlicher in der Fig. 2a dargestellt sind.

»5 Der modifizierte Multiplexer J' ist im wesentlichen identisch mit dem digitalen Multiplexer J der Fig. la. Es unterscheidet sich von diesem jedoch in der Verstärkerschaltlogik, auch in der Schalt- und Kanaldekodierlogik. Indem digitalen Multiplexer J der Fig. 1

und la sind in der Steuerschaltung VM Mittel für die Ausführung der Multiplexer-Funktion nach Maßgabe der vom Block AD eintreffenden Signale vorgesehen. In dem modifizierten Multiplexer J' der Fig. 2a ist demgegenüber keine solche Vorrichtung

für das Multiplexen vorgesehen. Hier wird das Multiplexen von einem separaten Multiplexer, wie es in der Fig. 2 gezeichnet ist, vorgenommen.

In dem System der Fig. 2 und 2a enthält die Verstärkerschaltlogik lediglich Eingänge zum Empfangen

der Schaltzählersignale X_x, X^ und X_v außerdem ist sie mit nur einmal fünf Ausgängen, die S₁ bis S₅ bezeichnet sind, ausgerüstet. Jeder dieser Ausgänge ist an die entsprechenden Schalter E₁ bis E₅ aller Kanäle gemeinsam angeschlossen, wie es in Fig. 2 dargestellt

ist. Dieses in anderen Worten: In der Ausführungsform der Fig. 2 mit dem in Fig. 2a dargestellten modifiziertem Multiplexer J' werden die gleich bezifferten Elemente E₁ bis E₅ sämtlicher Kanäle von 1 bis η gleichzeitig geschaltet durch ein Schaltsignal, das

von dem modifizierten Multiplexer /' kommt. Beispielsweise schaltet ein Schaltsigna] S₁ gleichzeitig die Schalter E₁ sämtlicher Kanäle 1 bis n. Ein Schaltsignal S₂ schaltet gleichzeitig sämtliche Schalter E₂ der Kanäle 1 bis η usw.

Der Kanal-Multiplexer XM der Fig. 2 teilt jeweils selektiv nur einen einzigen Kanal zur Zeit, den digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / und gleichzeitig dem Analog-Digital-Wandler im Block AD zu. Das heißt, der Kanal-Multiplexer XM läßt Signale selektiv passieren, die vom Kanal 1 kommen, während der vollständigen Zeitperiode, in der der digitale Multiplexer J' die Signale S₁ bis S₅ durchprüft, um den Kanalschaltzyklus vom Schalter E, bis zum Schalter E₅ durchzuprüfen. Danach unterbricht der Kanal-

Multiplexer XM seinen Eingang für den Kanal 1, um Zeit für die Abtast- und Halteoperation in dem Block AD zu reservieren und läßt selektiv das Signal des Kanals 2 zu den digitalen Entscheidungseinrichtun-

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gen ti und / und zum Block AD für ein Zeitintervall passieren, das wieder ausreichend ist, um dem digitalen Multiplexer J' das Durchprüfen des ganzen Zyklus 0er Schaltsignale S₁ bis S₂ und damit der Schalter E₁ bis E₅ des Kanals 2 zu ermöglichen, danach wird wieder Zeit für die Abtast- und Halteoperationen gewährt. In gleicher Weise läßt der Kanal-Multiplexer KM selektiv alle aufeinanderfolgenden Kanäle passieren, bis durch zum Kanal «.Jeder Kanal wird dabei von dem Kanal-Multiplexer im wesentlichen nur für das Zeitintervall offengehalten, das erforderlich ist, damit der digitale Multiplexer J' die ganze Folge der Schaltsignale S₁ bis S₅ durchprüfen kann, zusätzlich der Zeit, die erforderlich ist, um die Abtast- und Halleoperationen durchzuführen. Nachdem der Kanal- »5 Multiplexer KM in der hier beschriebenen Weise alle Kanäle von 1 bis η durchgegangen ist, beginnt er damit wieder von vorne.

Innerhalb des gestrichelten Pahmens der Fig. 3 ist 4er Bfock A ausführlich dargestellt. Ein Eingangsabichwächer ist über einen Auswahlschalter SW an einen Ausgleichsschalter HL und an einen Eingangstransformator ET angeschlossen. Der Auswahlschalter SW ist mit einem Stufenverstärkungs-Kontroll- »chalter SF gekoppelt und gestattet, wahlweise den Eingangsabschwächer zu umgehen, mittels einer vom Geophon zum zweiten Pol des Schalters führenden Leitung UL.

Der in Blockform dargestellte Eingangstransformator ET kann geeignete übliche Eingangs- und Aus- 3< > gangswicklungen enthalten, wobei die letztere mit dem Eingang des Vorverstärkers A_x verbunden ist. Der Eingangstransformator ET dient zur Isolation des Geophons und des Eingangshabeis vom Vorverstärker A ι und von den darauffolgenden Schaltelementen, wobei jedoch die Anwendung einer üblichen Brükkenausgleichtechnik oder Ausfiltertechnik nicht unterbunden wird, sofern unerwünschte Energien überspielt oder ausgemerzt werden sollen, wie die (i() Hertz-Interferenz infolge eines indukt'ven und kapaiitjven Effekts ani Verstärkereingang. Derartige unerwünschte Signale können mittels der Ausgleichsschaltung zurückgehalten werden.

Der Präzisionsstufen-Vorverstärker A₁ ist vorgesehen, um die gewünschten Eingangssignale ausreichend zu verstärken, damit das Niveau des unerwünschten Eingangsrauschens der dieser Stufe folgenden aktiven Filter überschritten wird. Filter sind, wie in 1 ig. 3 dargestellt ist, in Reihe an den Ausgang des Verstärkers /I₁ in folgender Reihenfolge angeschlössen. Erst ein einstellbarer Tiefpaß-Filter LF, dann ein einstellbarer Hochpaß-Filter HF und schließlich ein einstellbarer Filter AF für sonstige Frequenzen. In einer Ausführungsform kann der Verstärker A, des Blockes A einen Verstärkungsfaktor von 8,0 insgesamt aufweisen, oder irgendeinen anderen vorbestimmten Faktor, wenn der Eingangsabschwächer EA in die Schaltung mittels des Schalters SW eingeschaltet ist.

Hs sind Mittel vorgesehen, um den Gesamtverstärkungsfaktor des Blockes A einzustellen, einschließlich der Stufenverstärkungskontrolle SV, die manuell eingestellt werden kann und die in einer bevorzugten Ausführungsform mit Mitteln ausgerüstet ist, die in Fig. 3 als »Stufe A Verstärkungslogik« GL bezcichnet sind. Letztere dienen der Herausgabc der dem Gesamitverstärkungsfaktor des Blockes A entsprechenden Signale V₁, V, und V, in binarer Form, die über eeeignete Leitungen dem digitalen Multiplexer J bzw J' zugeführt werden. Genauer gesagt, werden diese dem Verstärkungsniveau des Blocks A entsprechenden Signale den Eingängen Y₁, V₂ und V₃ des ExDonentenaddierers ES in den digitalen Multiplexer/ bzw J' zugeführt, wie es in den Fig. la bzw. 9 a dargestellt ist. Die Funktion dieser Verstärkungsfaktorniveausignale V₁, V₂ und V₃ besteht darin, den Exponentenaddierer ES so einzustellen, daß seine Exponentenausgangssignale automatisch so bemessen werden daß in ihnen aus Verstärkungsfaktorniveau des Blockes A berücksichtigt ist. Für den Fall, daß der Block A einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor verschieden von 8 aufweist, wird es notwendig, zusätzliche digitale Signale zum oder vom Exponentenaddierer ES zu leiten.

Obgleich das offenbarte System Mittel enthalt für die automatische Einführung des vorbestimmten Verstärkungsfaktorniveaus des Blockes A in den Exponentenaddierer ES, um die Exponentensignale auf das entsprechende Verstärkungsfaktorniveau am Eingang einzustellen, ist es auch beabsichtigt, daß der Exponentenaddierer ES manuell eingestellt wird, damit das manuell eingestellte Verstärkungsfaktorniveau der Eingartgselektronik berücksichtigt werden kann. Es soll bemerkt werden, daß der Gesamtverstärkungsfaktor der Eingangsstufe A in an sich bekannter Weise eingestellt werden kann. Z. B. kann er eingestellt werden durch einen in der Figur nicht gezeigten geeigneten Spannungsteller im Eingangsabschwächer EA mittels einer Methode, die derart gestaltet ist. daß die Eingangsimpedanz erhalten bleibt, sowie durch geeignete Einstellung der nicht dargesvellten Rückkoppelung in dem Präzisionsverstärker A₁, indem dessen Verstärkungsfaktor eingestellt wird. Es wird weiterhin bemerkt, daß die Einstellung des Eingangsabschwächers ES und des Verstärkungsfaktors des Präzisionsverstärkers A₁ mechanisch synchronisiert oder gekoppelt werden kann. In anderen Worten stellen die digitalen Verstärkungsniveausignale vom Block A Hilfsmittel dar, mittels derer die logischen Gatter des Exponentenaddierers ES in den Stand versetzt werden, die Schaltung des Blockes A abzufragen und die Exponentensignale demgemäß in bekannter Weise einzustellen, wie es in Fig. 3 durch die entsprechenden gestrichelten Linien angedeutet wird, die vom Eingangsabschwächer EA und vom Präzisions-Vorverstärker /1, zum Schalter S V führen. Darüber hinaus kann die Einstellung der Verstärkungsniveaukontrolle des Blockes A in üblicher Weise mit dem Exponentenaddierer ES verbunden werden, wie durch geeignete elektrische Verbindungen, die die Position des Schalters SW anzeigen, gemeinsam mit konventionellen Mitteln, wie die »Stufe A Verstärkungslogik« GL. Mit ihnen werden geeignete binäre Signale V₁, V, und V, hergeleitet, die repräsentativ für die Stellung des Schalters S Γ sind und andererseits das vorgegebene Verstärkungsniveau der Eingangsstufe A wiedergeben. Die einzelnen Blöcke A der Kanäle 1 bis η sind gewöhnlich im wesentlichen auf gleichem Verstärkungsfaktorniveau. Demgemäß wird man die Schalter SV, die die Verstärkungsniveaujustierung der einzelnen Kanäle 1 bis η darstellen, gewöhnlich auf die gleichen oder einander entsprechenden Niveaus einstellen und sie zweckmäßigerweise miteinander synchronisieren oder koppeln, etwa durch eine geeignete mechanische Koppelung von einem Kanal zum anderen. In solch einem Falle ist es

erforderlich, die »Stufe A - Verstärkungslogik« GL nur in einem einzigen der Kanäle vorzusehen, zwecks Abgabe eines Signals über das Verstärkungsniveau des Blockes A zum digitalen Multiplexer J bzw. /'. pie Koordination der Verstärkungsniveaus der Blöcke A der einzelnen Kanäle 2 bis η mit dem Verstärkungsniveau des zum Kanal 1 gehörigen Bloklces A ist illustriert durch die gestrichelten Linien, die die Blöcke A der Kanäle 2 und η mit der Linie verbinden, die die Signalleitung bedeutet, dur^h die dk Signale des Verstärkungsniveaus des Blockes A des Kanals 1 zum digitalen Multiplexer J bzw. J' geleitet werden (vgl. Fig. 1 bzw. Fig. 2).

Die Fig. 4 stellt das Detail B dar und zeigt einen transistorisierten Breitbandarbeitsverstärker AV in nicht invertierender Konfiguration. Der Präzisionsverstärkungsfaktor wird gegeben durch die Präzisionswiderstände A₁ und R₂ des Rückkoppelungsnetzwerkes. Der in Fig. 4a mit /2 bezeichnete Hochfrequenz-Cut^Off des Verstärkers wird durch den Kondensator C_x bestimmt, der von dem Widerstand R| in der Rückkoppelungsschleife überbrückt wird. Der in Fig. 4a mit /1 bezeichnete Niedrigfrequenz-Cut-Off wird durch die RC-Reihe, die aus in Reihe geschaltetem Kondensator C_? und Widerstand R₂ besteht, und über die die negative Seite des Arbeitsverstärkers AV geerdet ist, bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe eine Konstante von plus 8,000 im Paßband und er wird bei sehr niedrigen Frequenzen herab bis zum Gleichstrom, gleich 1,000 gewählt, wie es graphisch in der Fig. 4a dargestellt ist. Fig. 4a ist die Charakteristik der Schaltung des Details B. Eine Abgleichvorrichtung zur Korrektur von Lingleichmäßigkeiten in der Eingangsspannung im Arbeitsverstärker kann vorgesehen werden und ist dargestellt als ein veränderbarer Widerstand R, für den Gleiclistromabgleich im Arbeitsverstärker AV. Die Einzelheiten des Details C sind innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rahmens der Fig. 5 dargestellt, die eine Begrenzungsschaltung zeigt, die das Ausgangssignal irgendeiner vorhergehenden Stufe beschneidet und so die Eingangsspannungsschwingun gen für irgendeine folgende Stufe auf einen Wert begrenzt, der so bemessen ist, daß, wenn mit einem Verstärkungsfaktor von plus 8,000 ve ι u»rkt wird, wie es in der illustrierten Ausführungsfοι m geschieht, die nachfolgende Stufe nicht ausgelastet wird. Die Begrenzungsschaltung C enthält einen Eingangswiderstand R₄, der mit seinem Ausgangsende an den elektrischen Mittelpunkt eines Diodenpaares angeschlossen ist, das aus den Dioden D₁ und D-. besieht, welche ihrerseits in Serie zwischen dem negativen Pol und dem positiven Pol einer nicht dargestellten Gleichstromquelle geschaltet sind. Dieser Begrenzer garantiert, daß der Arbeitsverstärker niemals den linearen Arbeitsbereich überschreitet. Damit wird keine wesentliche Verzerrung in dem Amplitudenbereich (d. h. 0,512 Volt bis 4,0% Volt) am Ausgang der folgenden Stufe B gefunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal am Eingang auf etwa Q 7 ₊ o,l Volt = 0,8 Volt begrenzt, woraus sich maximal OS X 8,0 = 6,4 Volt am Ausgang der nachfolgenden Stufe B ergeben. Der Arbeitsvcrstiirker A V des Details B ist fähig, seinen Ausgang in einem Bereich von + 10 Volt bis - 10 Volt linear schwingen zu lassen. Das Beschneiden oder Begrenzen durch die Schaltung des Details C bringt Verzerrungen hinein während der Beschneiderperiode, jedoch nicht während des niedrigen Ampliuidenbereiches. Die Gleichstromquelle, zwischen deren Pole die erste und die zweite Diode in Serie geschaltet sind, ist eine Präzi-

sionsspannungsquelle, die von einem Regulator mit niedriger Impedanz versorgt wird und liefert Spannungen in der dargestellten Ausführungsform von 0,7 Volt und - 0,7 Volt. Der Widerstand R₄ hat in einer bevorzugten Ausführungsform 5,1 kOhm. Die erste

und die zweite Diode sind fähig, sehr rasch aus dem Leitungszustand herauszukommen, d. h. sie besitzen eine schnelle Regenerationscharakteristik. Die Dioden leiten so lange nicht, bis die Eingangsspannungsschwingungen die Hintergrundvorspannungen von +

¹S oder — 0,7 Volt überschreiten. An diesem Punkt findet ein Spannungsabfall über den Widerstand R₄ statt infolge des Diodenstroms und der Ausgang verbleibt im wesentlichen bei ± (0,7 + 0,1 =0,8 Volt) während des Begrenzungsprozesses. Es wird nochmal darauf

^ao hingewiesen, daß die Impedanz der Vorspannungsquelle von + und — 0,7 Volt niedrig sein muß, um eine Steifigkeit, d. h. hohe Stabilität der Vorspannung zu gewährleisten.

Die Schaltung des Details D ist innerhalb des ge-

strichelt gezeichneten Rahmens der Fi g. 6 dargestellt. Sie enthält einen Arbeitsverstärker A V, der in einer Phasen umkehrenden Konfiguration geschaltet ist, um einen nominalen Verstärkungsfaktor von — 1,000 zu bieten, wobei Kompensationsregulierungen für den

Verstärkungsfaktor und die Phase vorgesehen sind. Diese Funktionen sind in der Zeichnung beschrieben. Ein Gleichstromabgleich ist erforderlich, um Unebenheiten in der Eingangsspannung des Arbeitsverstärkers A V' zu korrigieren, und er wird von einem regulierbaren Widerstand R₈ im Inneren des Arbeitsverstärkers AV gebildet. Zwischen dem Eingang des Arbeitsverstärkers A V und dem Eingang des Gleichstromabgleichs ist der Kondensator C₁ in Reiher geschaltet. Der Kondensator C₃ kann weggelassen wer-

den. wenn Spannungsunebenheiten und Drift-Spannungen am Gleichstromabgleich angemessen kontrolliert werden. Ohne daß die Funktion der Stufe D wesentlich geändert wird, kann ein derartiger Arbeitsverstärker entweder in der invertierenden oder in der nicht invertierenden Version angewendet werden. Eine Phasenumkehr um 180 Grad wäre der einzige Unterschied und dieser könnte korrigiert werden durch ein Vertauschen der Geophonzuleitungen am Eingangstransformator, das ist am Eingang zum

Block A. In einer typischen Ausführungsform können Verstärkungsfaktor und Phasendifferenz zwischen den weiteren Stromwegen in irgendeinem Kanal bis zu einer gewünschten Genauigkeit von 0,1 % odei noch genauer ausreguliert werden, unabhängig vor

der Anzahl der vorhandenen Verstärkerstufen. In einem Stromweg vom Geophon bis zum Eingang de: Analog-Digital-Umwandlerskann die Bandbreite de; gesamten Verstärkei weges auch verengt oder regu liert werden durch den Phasenverschiebungskonden

6" sator C₄, der die Rückkoppelungswiderstände R₅ unc R₇ überbrückt.

Die Schaltung des Details E ist innerhalb des ge strichelten Rahmens der Fig. 7 dargestellt und enthäl ein Schaltelement LL mit geringer Streuung, das ei nen Festkörperschalter enthält. Inder »Aus«-Stellun hat es einen außerordentlichen hohen Widerstand um eine außerordentlich niedrige Streuung, vorzugsweis von der Größenordnung von 10¹⁰ Ohm, und ir

»Ein«-Zustand hat es einen Widerstand von der Größenordnung zwischen 30 und 3000 Ohm. Dieser Festkörperanalogschalter ist vorteilhaft vom Typ eines Feldeffekttransistors, der üblicherweise als FET-Typ bezeichnet wird. Ein Steuerstromkreis wird benutzt, um den normalerweise in der »Aus«-Stellung befindlichen Schalter in der »Aus«-Stellung zu halten. Solch ein Steuerstromkreis ist im Diagramm als der Block SD dargestellt, dessen Ausgang mit dem Kontrolleingang des Festkörperschalters LL verbunden ist und der einen mit 5 bezeichneten Eingang hat. Der Eingang S dient für das Empfangen von Zeitimpulsen S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅ vom digitalen Multiplexer / bzw. J'. Wie oben erwähnt, ist in der Arbeitsweise des offenbarten Verstärkersystems die Steuerstromkreisstufe SD dazu vorgesehen, um den normalerweise in der »Aus«-Stellung befindlichen Festkörperschalter LL zu kontrollieren, wobei das Steuersignal von der Zeitlogikschaltung herkommt, so daß im gewünschten Zeitpunkt das Schaltelement LL in die »Ein«-Stellung geschaltet wird, und in dieser Stellung für ein vorgegebenes Zeitintervall gehalten wird. In dieser »Ein«-Stellung kann das Analogsignal vom Eingang des Schalters kommend, diesen bis zu seinem Ausgang während des vorgegebenen Zeitintervalls passieren, so wie es für die gewünschte Arbeitsweise erforderlich ist.

Die Schaltung des Details F ist innerhalb des gestrichelten Rahmens der Fig. 8 dargestellt. Sie enthält einen nicht invertierenden Impedanzumformer /7 mit dem Verstärkungsfaktor 1. Ein geeigneter Impedanzumformer ist beispielsweise in dem Artikel »A potpourri of FET Applications«, Electrical Design News, März 1965, Seiten 38 bis 45, beschrieben, insbesondere auf Seite 45. Vgl. auch »Handbook of Operational Amplifier Applications«, Seite 47, Burr-Brown Research Corporation 1963. Der Impedanzumformer des Details F ist durch eine extrem hohe Eingangsimpedanz charakterisiert, die vorzugsweise von der Größenordnung von 10'° Ohm ist, bei gleichzeitig sehr niedriger Ausgangsimpedanz, die vorzugsweise im Bereich von i Ohm liegt. Die sehr hohe Impedanz erlaubt den Gebrauch eines relativ billigen Feldeffekttransistorschalters mit größerem »ein«-Widerstand in dem vorgeschalteten Schalter E. Die Eingangs-Impedanz des Blockes F soll gleich odei größer ah das 10⁷fache des »ein«-Widerstandes des Feldeffekt-Transistors sein, so daß der »ein«-Widerstand die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt.

Während die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Systeme Verstärkerkanäle mit fünf in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen aufweisen, soll betont werden, daß erfindungsgemäß auch andere Anzahlen von Verstärkerstufen angewendet werden können. Die Anzahl der in Kaskade geschalteten Stufen hängt vom Verstärkungsfaktor pro Stufe und vom geforderten gesamten Verstärkungsfaktor ab. Es ist für die binäre Speicherung zweckmäßig, Stufen mit als Zweierpotenzen angebbaren Verstärkungsfaktoren zu verwenden. So ergeben (vgl. Fig. 9) sieben Stufen mit je einem Verstärkungsfaktor 8 einen gesamten Verstärkungsfaktor 8⁷ = 2097152. Da 8^r= 2²¹ ist, würden für den gleichen gesamten Verstärkungsfaktor einundzwanzig Stufen mit Verstärkungsfaktor 2 erforderlich sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Analog-Digital-Wandler, der in das binäre System umwandelt, wird eine mit der Zahl Zehn vergleichbare Basis, wie etwa die Zahl Acht gewählt, der im binären System drei Bits entsprechen. Es kann auch die Zahl Zwei als Basis gewählt werden, jedoch würden damit die Kanäle beträchtlich komplexer werden.

In einem typischen seismischen Signalverarbeitungssystem kann sich der Bereich der Geophonsignale von einem Volt herab bis zu einem zehntel Mikrovolt erstrecken, was einem Bereich über 140 db entspricht. Dieser Bereich kann von acht Verstärkerstufen mit

ίο dem Faktor acht überdeckt werden. Bei Stufen mit dem Faktorbereich zwei wären 24 Stufen erforderlich. In ökonomischer Hinsicht bilden Stufen mit dem Faktor 8 einen guten Kompromiß. Bei Verwendung eines Analog-Digital-Umwandlers mit 15 binären Bits wird der signifikanteste Bit üblicherweise für das Vorzeichenbenutzt, während die übrigen 14 Bits den absoluten Wert der gemessenen Spannung darstellen. An Hand der Fig. 9 erkennt man, daß der auf der Abszisse dargestellte Eingangswert jedesmal um den Fak-

ao tor 8 von links nach rechts steigt. Die auf der Ordinate dargestellte Spannung am Umwandler vermindert sich dabei jeweils von 14 auf 11 Bits und der Verstärkungsfaktor muß automatisch um 8 vergrößert werden, um den Umwandlereingang auf 14 Bit Meßgenauigkeit zurückzustellen. Der Verstärkungsfaktor am Ausgang jeder Stufe ist am Kopf der F i g. 9 zusammen mit der Stufennummer oder dem Exponenten angegeben. Der Wert am Verstärkerausgang oder am Eingang des Analog-Digital-Umwandlers ist in Fig. 9 rechts zusammen mit Anzahl der Bits angegeben, während die db-Variation auf der Unken Seite der Fig. 9 dargestellt ist. Am Fuß der Fig. 9 ist die Eingangsspannung und ihre db-Variation aufgetragen. Der Verstärkungsfaktor wird gelesen bzw. gespei-

chert als Exponent zu einer geeigneten Basis. Das Ergebnis ist mit der Mantisse zu multiplizieren, wobei sich die gewünschte Maßzahl für das Eingangssignal ergibt. Damit entspricht die Genauigkeit eines derartigen Systems mindestens 11 Bits oder 1 Promill für einen Eingangsbereich von 144 db bei Verwendung von acht Kaskadenstufen und für einen Bereich von 90 db bei Verwendung von fünf Kaskadenstufen. Wenn der Konverterbereich auf eine Genauigkeit von weniger als 11 Bits reduziert wird, ergibt sich ein mög-

licher Lautstärkenbereich von 210 db. Dieser wird bei Beachtung des Vorzeichensignals auf 216 db erweitert. Wie oben erwähnt, ist die gelesene Spannung, d. h. das gespeicherte Ausgangssignal des Systems ein exaktes Maß für die Spannung an den Geophonklem-

men. In einer praktischen Ausführungsform stellt die Messung unterhalb eines Eingangssignals von V₄ Mikrovolt im wesentlichen das Rauschniveau am Verstärkereingang exakt dar.

Bei der Anwendung der offenbarten Verstärkerschaltung werden große Eingangssignale leicht auf eir so hohes Niveau verstärkt, daß der Eingang allei nachfolgenden Stufen blockiert wird. Die Regenerier zeitkonstanten im Verstärkersystem würden die Mes sung eines jeden kleineren Signals, das unmittelbai

auf ein großes Eingangssignal folgt, verhindern. Wem man jedoch alle Eingangsamplituden, die größer al der volle Skalenbereich dividiert durch den Verstär kungsfaktor der Stufe sind, beschneidet, so daß da Ausgangssignal innerhalb des linearen Arbeitsberei ches der Verstärkerstufe bleibt, kann man einen Kana von η Stufen in einem linearen Bereich arbeiten las sen. Dieses kann getan werden, indem man alle Be grenzungen durch Schaltelemente zuläßt, von dene

■4'

bekannt ist, daß sie sehr kurze Regenerierzeiten haben. Auf diese Weise wird der Verstärkungsfaktor im gesamten Signalweg nicht geändert und keine Verstärkerstufe wird vorübergehende Verzerrungen in das System einführen.

Die Ausgänge eines Satzes von in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen mit amplitudenbegrenzten Eingängen werden so dem Bereich des Analog-Digital-Wandlers angepaßt, daß der maximale lineare Ausgang jedes Signalweges ein wenig größer als der volle Bereich des Einganges vom Analog-Digital-Wandler ist. Bleibt man mit den Ausgangswerten im Bereich zwischen einer achtel (im Fall eines Systems mit dem Faktor 8 pro Kaskadenstufe) und der vollen Skalenbreite und schaltet den Analog-Digital-Wandler an den Ausgang der angemessenen Verstärkerstufe an, kommt man jederzeit mit drei binären Bits (entsprechend 18 db) der vollen Skalenbreite des Analog-Digital-Wandlers aus und kann die Eingangsspannung exakt abschnittweise von einem Nulldurchgangspunkt des Eingangssignals zum nächsten messen. Das einzige Erfordernis dabei ist, daß man die in Kaskade geschalteten Präzisionsverstärkerstufen automatisch und mit hoher Geschwindigkeit schalten kann. Es ist nicht erforderlich, wie in üblichen binären Verstärkersystemen, die Abtastwerte früherer Amplituden aufzubewahren. Hier ist jede spezielle Amplitude völlig unabhängig von sämtlichen vorangegangenen. Dieses ist gleichbedeutend damit, wenn man mit einem Analog-Digital-Wandler mit 36 binären Bits die augenblickliche Geophonspannung abtastet und zu allen Zeitpunkten mit einer garantierten Genauigkeit von 11 Bits digitalisiert. Da die gespeicherte Geophonspannung in Form einer Gleitkomma-Zahl fixiert ist, was ideal für die Eingabe in digitale Computer ist, wird dieses Verstärkersystem als Gleitkomma-Verstärkersystem bezeichnet werden.

Das oben offenbarte Signalverarbeitungssystem ist ein Mittel zur Umwandlung eines Analogsignals in digitale Wörter, die in einem solchen Format gespeichert werden können, in dem jedes digitale Wort eine Anzahl von binären Bit-Positionen auf einem magnetischen Speichermittel, z. B. einem Magnetband, besetzt. Jedes derartige digitale Wort wird in der Gleitkomma-Form gespeichert. Durch diese Art der Speicherung der Signalinformationen ermöglicht dieses System eine große Anpassungsfähigkeit an die Aufgabe sowie eine leichte Handhabung von Signalen mit großen Unterschieden in ihren Werten, wobei gleichzeitig eine hohe Genauigkeit erreicht wird. (Vgl. »Digital Computer Primer« von E. M. McCormick, 1959, McGraw-Hül Book Co., Seiten 152 und folgende.)

In der illustrierten Ausführungsform repräsentiert die auf Magnetband gespeicherte digitale Gleitkomma-Zahl die augenblickliche seismische Spannungsamplitude, wie sie in das Verstärkersystem, vom angeschlossenen Geophon kommend, eintritt.

Die digitale Gleitkomma-Zahl besteht aus Mantisse und Exponent und hat folgende Form:

Q= ± χ fr* (Gleichung 1)

Darin ist Q die absolute Größe der Amplitude des Eingangssignals, wie es in einen Kanal eingegeben wird, der eine Anzahl von Verstärkerstufen in Kaskadenschaltung aufweist, b ist der Verstärkungsfaktor einer einzelnen Verstärkerstufe, jc ist die Mantisse, die die Ausgangsamplirude einer einzelnen, durch den Signalabtastteil in oben beschriebener Weise ausgewählten Verstärkerstufe repräsentiert. Der Exponent k ist die Nettozahl der Verstärkerstufen, durch die das Eingangssignal durchgeleitet wird, bevor es den durch die Abtastschaltung ausgewählten Ausgang erreicht.

In der bevorzugten Ausführungsform hat jede der in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen den Verstärkungsfaktor 8. d. h.:

Q = ± χ 8* (Gleichung 2)

Um die digitale Gleitkomma-Zahl der Gleichung 2 mit einer Genauigkeit von beispielsweise 14 Bits zu speichern, sind 18 Bit-Positionen erforderlich. Die Mantisse χ wird in binärer Form dargestellt und erfordert 14 Bits. 3 Bits sind für den Exponenten Jt erforderlich und 1 Bit für das Vorzeichen.

Die hier offenbarten Verstärkersysteme tasten nicht durch Zeitmittelung ab. Hier wird das Eingangs-

a° signal in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgetastet. Die an den entsprechenden Ausgängen der Verstärkerstufen erscheinenden Signale werden derart weitergeleitet, daß der in der Gleitkomma-Zahl gespeicherte Wert des Exponenten Jt für jeden einzel-

»5 nen Abtastwert unabhängig hergeleitet wird, d. h. der gespeicherte Exponent k ist unabhängig vom Exponenten eines vorangegangenen oder nachfolgenden Wortes. .

Vorteilhaft ei folgt das Abtasten beim hier offenbarten Verstärkersystem im wesentlichen in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ohne Zeitmittelung, und zwar in einer Weise, bei der der Verstärkungsbereich während des Durchleitens des Signals durch den Verstärker geändert werden kann. Charakteristisch für den Verstärker ist somit ein Arbeitszyklus, während dem der optimale Gesamtverstärkungsfaktor 'ermittelt, eingestellt, während des Durchleitens des Signals durch das Verstärkersystem bis zu dessen Ausgang aufrechterhalten wird und während eines Haltezeitintervalls aufrechterhalten wird, das mindestens so lang ist, daß der Analog-Digital-Wandler die Umwandlung in digitale Form vornehmen kann. Der Arbeitszyklus wird innerhalb eines Signalzyklus abgeschlossen, währenddem ein dem Eingang des Verstärkersystems zugeführtes Signal zwecks Umwandlung in ein entsprechendes digitales Signal, das beispielsweise auf einem Magnetband gespeichert werden kann, durchgeleitet wird.

Es wird hier gemeint, daß das Haltezeitintervall füi den auserwählten, vom Comparator bestimmten Ver Stärkungsgrad so lang sein soll, daß der Analog-Digi tal-Wandler die geeignete Umwandlung in digital« Form vornehmen kann. Damit soll aber nicht gesag werden, daß es unbedingt erforderlich ist - !Für dii meisten Fälle ist es nicht erforderlich —, daß das ge nannte Haltezeitintervall während der gesamten Pe node fortgesetzt wird, die der Analog-Digital-Wand ler benötigt, um eine derartige Umwandlung zi vollenden. Es wird darauf hingewiesen, daß in einer typischen Analog-Digital-Wandler geeignete Abtasi und Haltestromkreise enthalten sind, welche ein Ana log-Signal, das in digitale Form umgewandelt werde soll, abtasten und halten. Beispielsweise enthalte Analog-Digital-Wandler geeignete innere Kturzzeil

Gedächtnis-Schaltungen oder auch Signal-Versets Schaltungen, die es dem Analog-Digital-Wandler ei möglichen, ein Analog-Signal in die digitale Fon umzuwandeln, ohne daß unbedingt das betreffend

Signal für die ganze dafür benötigte Zeitdauer gehalten oder beobachtet zu werden braucht. Die vorbestimmte Haltezeit für den auserwählten Verstärkungsgrad., die der Umwandler für die Durchführung seiner Ab'tast- und Haltefunktion benötigt, enthält also nicht unbedingt die gesamte Zeit, die der Analog-Digital-Wandler für die Vollendung der tatsächlichen Analog-Digital-Wandlung braucht.

In der hier beschriebenen speziellen Ausführungsform mit 5 Stufen pro Kanal Hegt im Falle von 32 Kanälen das Zeitintervall, das ein Kanal für das Aufnehmen eines Abtastwertes vom Analog-Signal braucht, bei 31,25 Mikrosek. Damit benötigt das gesamte 32-Kanal-System für einen gesamten Abtast-Vorgang, bei dem pro Kanal ein Abtastwert aufgenommen wird, ein Intervall, das bei einer Millisek. liegt. Der Comparator benötigt zum Durchtesten eines einzelnen der fünf möglichen, über die Schalter E₁, E₅ führenden Signalwege zwecks Ermittlung des optimalen Gesamtverstärkungsfaktors je 2 Mikrosek. Das bedeutet, daß die Ermittlung des optimalen Gesamtverstärkungsfaktors durch den Comparator O brw. 2 bzw. 4 bzw. 6 bzw. 8 Mikrosek. benötigt, je nachdem, ob der Durchtestprozeß mit dem Durchtesten des über E₁ bzw. E₂ bzw. E₃ bzw. E₄ bzw. E, führenden Signalweges beendet ist. Um das Signal in die Abtast- und Halteschaltung des Analog-Digital-Wandlers einzugeben, werden 5 Mikrosek. benötigt. Diese 5 Mikrosek. kommen zu den eben genannten, vom Komparator benötigten 0 bis 8 Mikrosek. hinzu, so daß in einer Ausführungsform mit 5 Stufen pro Kanal, die Halteperiode 5 bis 13 Mikrosek. dauern kann. In der illustrierten Ausführungsform kann die Halteperiode auch die vom Comparator nicht benötigte, d. h. überschüssige Zeit enthalten. Somit können insgesamt 15 Mikrosek. von den zur Verfügung stehenden 31,25 Mikrosek. abgehen, wobei 10 Mikrosek. vom Comparator benötigt werden und 5 Mikrosek. für die Eingabe des Signals in die Abtast- und Halteschaltung des Analog-Digital-Wandlers.

Damit in der hier offenbarten Verstärkerschaltung die gespeicherte Gleitkomma-Zahl eine exakte Darstellung des absoluten Wertes des Eingangssignals Q ist, ist es vorteilhaft, daß sämtliche in Kaskade geschaltete Verstärkerstufen einschließlich der Eingangsverstärkerstufe A und den darauffolgenden Stufen B₁ bis B₄ eine gemeinsame Verstärkungsbasis B haben, so daß die Exponenten einer jeden einzelnen Verstärkerstufe algebraisch zum gespeicherten Exponentenwert k addiert werden können. Für die

»5 illustrierte Ausführungsform bedeutet dieses, daß der für ein spezielles Signal gespeicherte Wert des Exponenten k die Summe aus dem Exponenten für die Stufe A plus den Exponenten der darauffolgenden Kaskadenstufe, wie sie durch die Schaltersteilungen

ao der Schalter E, bis E₅ bestimmt werden, ist.

Da erfindungsgemäß konstruierte Verstärkerschaltungen ein Ausgangssignal in der Gleitkomma-Form liefern, das den absoluten Wert des Eingangssignals wiedergibt, ergibt sich eine größere Anpassungsfähiges keit in der Weiterverwendung und der Speicherung der Ausgangssignale.

Einige der sich durch das Speichern seismischer Signale in digitaler Form ergebende Vorteile sind beschrieben in »Tools For Tomorrows Geophysics« von Milton B. Dobrin und Stanley H. Ward (Geophysical Prospecting, Band 10, Seiten 433 bis 452, 1962).

Hinsichtlich des Gebrauchs von Arbeitsverstärkern in oben beschriebenen Datenverarbeitungssystemen wird hingewiesen auf »Handbook of Operational Amplifier Applications, Burr-Brown Research Corp., Tucson Arizona, 1963).

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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Patentansprüche:

1. Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur SchneHaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich Hegenden Signalen mit automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulierung, insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Verstärker-Stufen aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit *° einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die einzelnen Ausgangsstufen der einzelnen Kanäle, mit einer Einrichtung zum Festlegen einer Vielzahl zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmter Verstärkungsbereiche der Verstärkerschaltung, mit einer Einrichtung zur Umwandlung des am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinenden Analop-Signais in ein korrespondierendes Digital-Signal und mit einer Einrichtung zum Ableiten eines zweiten Signals, das anzeigt, welcher der *° vorbestimmten Verstärkungsbereiche während «ines Zeitintervalles, in dem das am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinende Signal in ein korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt wird,gewähltwurde,gekennzeichnet durch ^a5 einen Multiplexer (J, J'), von dem ein automatisch ablaufender Abfragezyklus für die einzelnen Kanäle (1, 2.../1) ausgeht, wobei in jedem Zyklus die Verstärkerausgänge jedes Kanals nacheinander über eine gemeinsame Verstärker-Ausgangs- 3<> stufe (F) an eine Komparatorschaltung (W, /, G) zur Ermittlung, ob das Signal in einem vorbestimmten Amplitudenbereich liegt, angeschlossen sind, und durch einen Analog-Digital-Umwandler (AD) zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich liegenden Signale sowie durch vom Multiplexer (J, /') gesteuerte Schalteinrichtungen (E₁, E₂ ... EJ zur Schaltung des nächsten Verstärkerelementes (B₁, B₂...B_n) bei Nichterreichung des vorbestimmten Amplitudenbereiches durch das vorliegende Signal.

2. Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur SchneHaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich liegenden Signalen mit automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulierung, insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Verstärkerstufen aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die einzelnen Ausgangsstufen der einzelnen Kanäle, mit einer Einrichtung zum Festlegen einer Vielzahl zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmter Verstärkungsbereiche der Verstärkerschaltung, mit einer Einrichtung zur Umwandlung des am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinenden Analog-Signals in ein korrespondierendes Digital-Signal und mit einer Einrichtung zum Ableiten eines zweiten Signals, das anzeigt, welcher der vorbestimmten Verstärkungsbereiche während eines Zeitintervalles, in dem das am Ausgangsschaltkreis erscheinende Signal in ein korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt wird, gewählt wurde, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (/, J'). von dem ein automatisch ablaufender Abfragerzyklus für die einzelnen Kanäle (1. 2...Ji) ausgeht, wobei die einzelnen Kanalausgänge, die jeweils eine Ausgangsstufe (F) aufweisen, über eine als Kanal-Multiplexer (KM) ausgebildete gemeinsame Ausgangsstufe an eine Komparatorschaltung (H, I, G) zur Ermittlung ob aas Signal in einem vorbestimmten Amphtudenbe-'eich liegt, angeschlossen sind, und durch einen Analog-Digital-Wandler (AD) zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich Hegenden Signale sowie durch vom Multiplexer (J, J') gesteuerte Schalteinrichtungen (E₁, E₂... E_n) zur Schaltung des nächsten Verstärkerelements (B,, B B ) bei Nichterreichung des vorbestimmten Amplitudenbereiches durch das vorliegende Si-

"3. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal eine Eingangsstufe (A) aufweist, an deren Ausgang die in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen (B₁, B₂...BJ angeschlossen sind

4. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker-Ausgangsstufe (F) als Impedanzwandler ausgebildet ist.

5. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Impedanzwandler dienende Verstärker-Ausgangsstufe (F) im wesentlichen aus einem nicht invertierenden Impedanzwandler (IT) mit dem Verstärkungsfaktor 1 besteht, wobei dessen Eingangsimpedanz größenordnungsmäßig das 10'°-fache seiner Ausgangsimpedanz beträgt und mindestens das 10 -fache des Widerstandes, den die elektronischen Schaltereinrichtungen(£,, E₂... EJ ₊ , in »Ein«-Stellung aufweisen.

6. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (A) einen Eingangsabschwächer (EA) und einen Verstärker (A₁) mit einstellbarer Verstärkung sowie einen Verstärkungsregler (SV) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors enthält sowie eine logische Schaltung(GL), die dem eingestellten Faktor entsprechende Signale (V₁, Y₁...) dem Multiplexer (J, J') zuleitet.

7. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eingangsstufe (A) und der ersten Verstärkerstufe und zwischen den übrigen Verstärkerstufen (B₁, B₂... BJ Begrenzungsschaltungen (C₁, C₂... CJ und zwischen dem Ausgang der Eingangsstufe (A) und den Ausgängen der Verstärkerstufen (B₁, B₂...B_1n) einerseits und den Eingängen der elektronischen Schalter (E₁, E₂... E_{m +} ,) andererseits Bandbreitenvorrichtungen (D₁, D₂... D_n^₁) liegen.

8. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verstärkerstufe (B₁, B₁... BJ einen Gleichstromverstärkungsfaktor 1 und einen Wechselstromverstärkungsfaktor größer als 1 hat, wobei letzterer Faktor für jede Verstärkerstufe (B₁, B₂... BJ gleich ist.

9. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromverstärkungsfaktor eine positive ganzzahlige Potenz von 2 ist.

K). Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltein-

richtungen (E₁, E₂.., E_n^) im wesentlichen aus je einem Festkörperschalter (LL) und je einer Steuerschaltung (SD) bestehen, deren Eingänge mittels Signalleitungen (S₁, S₂...S_1n+1) an den Multiplexer (J, J') angeschlossen sind.

11. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (H, L G) aus zwei mit dem genannten gemeinsamen Ausgang verbundenen Entscheidung.seinrichtungen (H, i) und einer Bezugsspannung liefernden Gleichstromquelle (G) besteht, deren positiver Pol mit der einen Entscheidungseinrichtung (H) und deren negativer Pol mit der anderen Entscheidungseinrichtimg (/) verbunden ist, wobei die Entscheidungseinrichtungen (H, /) so dimensioniert sind, daß die mit dem positiven Pol verbundene Entscheidungseinrichtung (H) ein Signal einesgewissen ersten Wertes ausgibt, wenn das vom gemeinsamen Ausgang eintreffende Signal größer als die positive Bezugsspannung ist, sonst ein Signal eines gewissen zweiten Wertes, und daß die mit dem negativen Pol verbundene Entscheidungseinrichtung (/) ein Signal des gewissen ersten Wertes ausgibt, wenn das vom gemeinsamen Ausgang eintreffende Signal größer als die negative Bezugsspannung ist, sonst ein Signal des ge wissen zweiten Wertes.

12. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch loder 11, dadurch gekennzeichne*., daß der Multiplexer (J) ein ODER-Gatter (OG) mit zwei Eingängen für die von den Entscheidungseinrichtungen (H, /) eintreffenden Signale, das seinerseits nur Signale ausgibt, wenn die eintreffenden Signale verschiedenwertig sind, aufweist, sowie eine Bezugsfrequenzquelle (CL), eine Dividier-Flip-Flop-Schaltung (FC), ein Zeitdekodierregister (Zi?), eine Gedächtnisschaltung (ML), ein UND-Gatter (UG), einen Schalterzähler (SC), einen Expunentenaddierer (ES) und eine einen Multiplexer enthaltende Steuerschaltung (VM), wobei die Dividier-Flip-Flop-Schaltung (FC) Eingänge für die Aufnahme von von der Bezugsfrequenzquelle (CL) gelieferten Zeitimpulsen und von von dem die Digitalsignale produzierenden Analog-Digital-Wandler (Λ D) gelieferten Synchronisierimpulsen sowie Ausgange zur Ausgabe von Zählimpulsen an das Zeitdekodierregister (ZR), Ausgänge zur Ausgabe von Auslöse-, Einstell- und Rückstellsignalen an die Gedächtnisschaltung (ML), einen Ausgang zur Ausgabe eines Signals zum Weiterstellen des Schalterzählers (SC) an das UND-Gatter (UG), einen Ausgang zur Ausgabe eines Vorrück-Signals an der Schalterzähler (SC) sowie einen Ausgang zur Ausgabe eines Signals an den Exponentenaddierer (ES) aufweist, wobei die Gedächtnisschaltung (ML) Eingänge für die Aufnahme der vom ODER-Gatter (OG) und dem Zeitdekodierregister ( ZR) gelieferten Signale sowie einen Ausgang für die Ausgabe von Signalen an das UND-Gatter (UG) aufweist, wobei der Schalterzähler (SC) Eingänge für die Aufnahme der vom UND-Gatter (UG) und vom Zeitdekodierregister (ZR) gelieferten Signale sowie Ausgänge zur gemeinsamen Ausgabe von Signalen sowohl an den Exponentenaddierer ( ES) als auch an die Steuerschaltung (VM) aufweist, wobei der Exponentenaddierer (ES) Eingänge für vom Schalterzähler (SC) und von den Eingangsstufen (A) und vom Zeitdekodierregister (ZJ?) gelieferte Signale sowie Ausgänge zur Ausgabe von Signalen an den vorgenannten Analog-Digital-Wandler (AD) aufweist, und wobei schließlich die Steuerschaltung ( VM) Eingänge für die Aufnahme der vom Schalterzähler (SC) gelieferten Signale sowie Eingänge für die Aufnahme von von dem vorgenannten Analog-Digital-Wandler (AD) gelieferten Kanalnummer-Impulsen sowie Ausgänge für die Ausgabe von Steuersignalen (S₁, S₂...S_n,₊j) an die elektronischen Schalter ( E₁, E₂. Λ E₀,_+a) aufweist. 13. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (/') ein ODER-Gatter (OG) mit zwei Eingängen für die von den Entscheidungseinrichtungen (H, Γ) eintreffenden Signale, das seinerseits nur Signale ausgibt, wenn die eintreffenden Signale verschiedenwertig sind, aufweist, sowie eine Bezugsfrequenzquelle (CL), eine Dividier-Flip-Flop-Schaltung (FC), ein Zeitdekodierregister (ZR), eine Gedächtnisschaltung (ML), ein UND-Gatter (UG), einen Schalterzähler (SC), einen Exponentenaddierer (ES) und eine Steuerschaltung ( V) aufweist, wobei die Dividier-Flip-Flop-Schaltung (FC) Eingänge für die Aufnahme von von der Bezugsfrequenzquelle (CL) gelieferten Zeitimpulse und von von dem Analog-Digital-Wandler (AD) gelieferten Synchronisierimpulsen sowie Ausgänge zur Ausgabe von Zählimpulsen an das Zeitdekodierregister (ZR) aufweist, wobei das Zeitdekodierregister (ZR) Ausgänge zur Ausgabe von Auslöse-, Einstell- und Rückstellsignalen an die Gedächtnisschaltung (ML) sowie einen Ausgang zur Ausgabe eines Vorrück-Signals an den Schalterzahler (SC) sowie einen Ausgang zur Ausgabe eines Signals an den Exponentenaddierer (ES) aufweist, wobei die Gedächtnisschaltung (ML) Eingänge für die Aufnahme der vom ODER-Gatter (OG) und dem Zeitdekodierregister (ZR) gelieferten Signale sowie einen Ausgang für die Ausgabe von Signalen an das UND-Gatter (UG) aufweist, wobei der Schalterzähler (SC) Eingänge für die Aufnahme der vom UND-Gatter (UG) und vom Zeitdekodierregister (ZR) gelieferten Signale sowie Ausgänge zur gemeinsamen Ausgabe von Signalen sowohl an den Exponentenaddierer (ES) als auch an die Steuerschaltung (V) aufweist, wobei der Exponentenaddierer (ES) Eingänge für vom Schalterzähler (SC) sowie von den Eingangssiufen (A) und vom Zeitdekodierregister (ZR) gelieferten Signale sowie Ausgänge zur Ausgabe von Signalenanden Analog-Digital-Wandler (AD) aufweist, wobei schließlich die Steuerschaltung ( VO Eingänge für die Aufnahme der vom Schalterzählei (SC) gelieferten Signale sowie Ausgänge für die Ausgabe von Steuersignalen (S₁, 5,...S_{1n + 1}) an die elektronischen Schalter (E₁, L,...E_{m + 1}) aufweist.

14. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromverstärkungsfaktor 8 ist.