JPS6056323B2 - 利得調整増幅器システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は利得調整アンプシステムに係り、それは特に人
工地震波データ処理システムにおいて広い入力ダイナミ
ックレンジを許容するために用いられるのに適したもの
である。

人工地震の爆発において、音波が地表又はその付近で発
生する。

この音波は下方に伝搬し、地中の地層境界で反射され、
再び地表に戻る。反射された地震波は、地表上又はその
付近に、ほぼ直線上に配列された地震波センサによつて
検出される。近年までの通常の手法によれば、２５乃至
３０の地震波検出器すなわちセンサが、１００乃至３０
０フィート長の単一のケーブル部に等間隔に設けられて
いる。

これらのセンサはすべて電気的に接続されて１つの長い
データ・チャネルを形成している。さらにこのようなケ
ーブル部が５柵又はそれ以上接続されて１００００フィ
ート又はそれ以上の長さのケーブル体を形成している。
５陥又はそれ以上のデータ●チャネルの各々からの出力
は、ケーブル体の一端に設けた中央信号処理装置に接続
されている。

各チャネルごとに別々の回線が必要である。よつて５０
又はそれ以上の回線対を必要とする。このように多数の
回線を使用すると高価であり又重量も重くなるため、各
チャネルからの出力信号を時分割多重化して１つのデー
タ伝送チャネルで伝送する方式も提案されている。人工
地震波システムは海中にある大きな魚や船などの目的物
を検出するためにも用いることができる。

本発明の背景を理解するためには、類似のシステムにつ
いて概観するのがよく、それらには米国特許第３８５１
３０訝、第３６５２９乃号、第３７４８６３８号及び第
３８７３９６１号がある。

これらの特許はすべてテレメータ・システムの使用を示
しており、信号処理モジュールが、１つのセンサ又はセ
ンサ群からの地震波データをデジタル化する。種々の多
重化方式が採用されており、これによつてデータはテレ
メータ・チャネルを介して記録装置に伝送される。上記
のように、地震波センサ群は１００乃至３００フィート
長の配列を構成している。

もし、地震波の波頭が、センサ群を含んでいる平面と実
質的に平行であれば、波頭は各センサに同時に到着し、
出力信号は加算されて強力なものとなる。しかし、実際
の調査状況では、このような理想的な状態はまれであり
、有り得るとすればセンサ配列の直下の地層境界で波頭
が直上に反射された場合のみである。一般的な場合には
、波頭はある角度を持つてセンサ部を通過して行く。こ
のため、波頭はセンサ配列の一端に到着して一定の時間
後に他端を通過する。波頭が配列を通過する時間は、地
震波の位相速度、地震波の波長、配列の長さ、反射面の
深さ、及びその他の要因によつてきまる。配列長が音波
の波長にくらべて十分長いと、音波の出力は減衰してし
まう。よつて減衰を避けるためにセンサ配列の長さは、
地震波の波長よりも短くなければならず、よい応答をう
るためには波長の１１似下であることが望ましい。伝統
的に、数百フィートの波長を含む地震波スペクトルの低
域のエネルギーに興味が持たれてきた。

このため、長い配列で十分であつた。しかし、最近では
、地震構造の探査においてより大きな分解能が要求され
ている。分解能を上げるためには、高周波成分を含む地
震波の使用とそのセンスが必要である。しかし、地震波
スペクトルの上部周波数のエネルギーの波長は現在用い
られている通常のセンサ配列の長さよりはるかに短い。
よつで、各ケーブル部ごとに短いセンサ配列を多数用い
て１つの長いセンサ配列を構成することが望ましい。し
かしこのような解決方法は不可能であると考えられて来
た。なぜなら、データ処理が複雑になり、多数の導体が
必要となつて、ケーブル体が高価となる上に、非実用的
なほどサイズが大きくなるためである。よつて、従来の
装置に較べて、分解能が高く、しかもケーブル体のサイ
ズと重さを増加させないような地震波データ処理システ
ムが要求される。地震波処理システムにおいては、電子
的トランシーバに付随した複数個の基本的地震波センサ
・ユニットが含まれ、トランシーバはセンサ●ユニット
からのデータ信号を多重化技術を用いて伝送リンクを介
して共通の中央局に送信し、さらにデ−タ処理システム
は各トランシーバ内にマルチプレクサ手段を含んでおり
、対応するセンサからの出力を順にサンプリングし、又
、各トランシーバ内の電子回路がトランシーバからの出
力を伝送リンクに印力叱、動作中センサ●ユニットのあ
る集合の各々からの出力は最初の多重化段によつてサン
プリングされ少くともいくつかのトランシーバからの出
力は第２の多重化段において多重化されて順次中央局に
印加される。

地震波ケーブル体は多数の活性ケーブル部から成り、そ
の各々は探索リンク、データ伝送リンク及び多数の基本
的地震波センサ・ユニットを含んでいる。

トランシーバ●ユニットを持つ接続モジュールは、隣り
合つたケーブル部を相互に接続している。各トランシー
バは複数個の入力チャネル、データ中継回路網、及び探
索回路網を含んでいる。各トランシーバ内の探索回路網
は探索リンクと直列に接続されている。中間ケーブル部
の基本的センサ・ユニットは、そのケーブル部の一端に
位置するトランシーバの対応する入力チャネルに接続さ
れている。各トランシーバのデータ中継回路網はデータ
伝送リンクに接続されている。マルチプレクサ●スイッ
チが各トランシーバに含まれている。マルチプレクサ●
スイッチは、探索回路網に接続された制御回路網によつ
て進められる。中央局から探索リンクを介して送られる
探索パルスに応じて、探索回路網は制御回路網をしてマ
ルチプレクサを歩進せしめ、センサユニットからのアナ
ログデータをデジタル化し、さらに自己同期デジタル・
データ語を中継回路網から伝送リンクに送出せしめる。
従来の通常のシステムでは中央の記録部に設けられてい
た、フィルタ、マルチプレクサ、利得調整アンプ、デジ
タル変換器、及び他の電子回路は中央から除去されて、
各ケーブル部に付随した接．続モジュール内にミニチユ
ア化されて設けられて、トランシーバを構成している。

複数個の同一のケーブル部は、トランシーバを持つ複数
個の同一の接続モジュールによつて間隔をおいて接続さ
れている。ケーブル部内の基本的センサ・ユニツーナか
らのアナログ信号は、局部データ線を介して接続モジュ
ール内のトランシーバに送られ、そこで戸波され、多重
化され、サンプリングされ、利得調整されて、デジタル
化される。中央局の記録部に残されているものは、トラ
ンシーバからデータ伝送リンクを介して受信されたデジ
タルデータ語を記録するための受信器と記録器、及び探
索リンクを介してトランシーバに制御及び探索パルスを
送るための制御論理回路のみである。各トランシーバに
は複数個のプリアンプ●フィルタを含んでおり、その各
々は入力及び出力を持つている。

その入力は複数個の基本的センサ・ユニットの各々に接
続されており、該センサは、海・中地震波ケーブルの場
合には、対応するケーブル部内に設けられている。プリ
アンプ・フィルタの出力はマルチプレクサの対応する入
力に接続されている。マルチプレクサの単一の出力は共
通の利得調整アンプ、デジタル変換器、一時蓄積出力レ
ジスタ・コード変換器、及び中継回路網に接続されてい
る。中継回路網の出力は、データ伝送リンクに接続され
ている。探索リンクは制御回路網を介してマルチプレク
サ及び出力レジスタに接続されている。探索リンクから
トランシーバに送られ−るパルスである探索信号に応動
して、各トランシーバのマルチプレクサは、制御回路網
により選択された、すなわち次の、本発明は、さらに一
般的に利得調整アンプシステムに関し、特に人工地震波
データ処理システムに用いられる２進利得調整アンプシ
ステムに関する。

ここで述べている多チャネル・アナログ●デ≦゛タル地
震波データ処理システムにおいては、信号はまずサンプ
ルされて、次にサンプルされた信号の振幅に対応するデ
ジタル数に変換される。

この信号が例えばＯ乃至９０ｄＢのごとき広いダイナミ
ックレンジを持つときには、これらをデジタル数に変換
する前に２進利得調整アンプに通すことが望ましい。こ
のようにして増幅された出力信号は限定された範囲内に
あり、これによつて信号対雑音比を増加させることがて
きる。広く用いられている公知の２進利得調整システム
は複数個の固定利得アンプを含んておりその出力はシス
テム制御器によつて共通バスに選択的に接続することが
できる。

比較器が共通バスからの信号の振幅と単一の基準電圧と
を比較する。出力信号が基準電圧より小さいと、制御器
はシステムにもう一つのアンプを挿入する。このような
処置が繰り返されてバスの出力が基準電圧より大きくな
るまで続けられる。多数の直列接続されたアンプの利得
は例えば２のような基数に対する指数形であられすこと
ができる。例えば利得が２対１の比率で？乃至２１５ま
でステップ状に増加される場合には１帽の利得判定と托
個のアンプが必要となる。このような２進利得調整シス
テムの欠点は、比較的多くの固定利得アンプを必要とす
ることである。また、比較器は１６ＳＩの比較において
托回の判定を行う必要があり、また制御器もこれら１帽
の判定を行わしめる必要がある。このようなシステムで
は、サンプルされたアナログ信号の各々を増幅するため
に、正しい利得を選択するために必要な時間は、アンプ
が定常状態になるまでの整定時間も含めて、比較的長く
、システムは高価なデータ処理時間を無駄に使うことに
なる。

さらに、多数のアンプと付随するハードウェアのために
、体積が大きくなつてミニチユア化が困難になる。また
、異なつた振幅を持つ信号は、異なつた段数のアンプを
通過するために、個々のアンプの特性の差が出力信号に
影響を及ぼす。従つて、本発明の目的のためには必要な
アンプの数と通常の利得調整アンプの大きさを減少させ
る必要があり、本発明においては、新しく改善された２
進利得調整システムが提供されており、このシステムは
ケーブル体の外径がわずか数インチのものに対しても、
地震波データ処理システムにおいて用いることができる
ものである。

本発明における利得調整アンプシステムは、入力端子と
出力端子との間に直列に接続された少くとも２個の、望
ましくは４個のアンプ段を含んでいる。

各アンプは通常低利得状態にあり制御器によつて高利得
状態に切り換えることができる。電圧基準手段が選択的
に各アンプ段に対応する離散的基準電圧となる。比較器
はシステムの出力電圧と選択された基準電圧とを比較す
る。この比較の結果、基準電圧が出力電圧より大きいと
、制御器は第１のアンプ段をその高利得状態にする。そ
の後、比較器はシステムからの出力と、第２のアンプ段
に対応する基準電圧とを比較する。再び基準電圧の方が
出力電圧より大きいと、制御器は第２のアンプ段をその
高利得状態にする。このような手順が繰り返えされ、少
くとも１つのアンプ段に対応する基準電圧よりもシステ
ムの出力電圧の方が大きくなるか、あるいはすべてのア
ンプ段がその高利得状態になるまで続けられる。このよ
うにして、システムの総合利得は大きな信号に対してた
とえば１の低利得から、小信号に対する高利得値にまで
ステップ状に増加される。このような方法により、アン
プ段が過負荷となることはない。本発明の一実施例の特
徴に従えば、上記のアンプ段の入力にあられれる■又は
非常に低周波のオフセット電圧信号を自動的に相殺する
装置が設けられている。この雑音相殺回路は各アンプの
入出力回路間に接続されたコンデンサ及びスイッチを含
んでおり周期的にアンプを分離してコンデンサをアンプ
オフセット電圧に充電する。このコンデンサ上の電荷の
振幅はアンプオフセット電圧に等しく極性は逆であり、
これによつて各アンプの入力に現われる■オフセット電
圧信号が相殺される。本実施例の利得調整アンプの他の
利点は４つのアンプ段の全てが常に回路内に接続されて
いるということである。

従来技術において生じた異つた信号レベルによるひずみ
は除去されている。本発明のさらに他の特徴は従えば人
工地震波データ処理システムにおいて用いられる利得調
整アンプシステムにおいてその各々が入力及び出力を有
しかつｎ個の利得状態を持ち直列接続された多数（ｍ個
）のアンプ段が含まれ、アンプシステムの出力に応じて
アンプ段の利得状態を制御するためのスイッチングシス
テムが含まれ、この利得状態は直列接続されたアンプ段
の総利得はｎの０乗乃至２′″−１乗に等しくなるよう
に選択される。本発明は、その一実施例及びその変形に
対する発明の詳細な説明及び図面とにより、より明らか
となろう。第１図において、船１０は、水中１４の地震
センサケーブル体１２をけん引している。

地震センサケーブル体１２はショックアブソーバ弾性部
１６と引き込み部１７とに接続されている。ケーブル体
１２の末端には短い終端部１８が接続されている。ケー
ブル体１２はそれぞれが１９６．８フィーＬト（６０メ
ータ）長の活性ケーブル部２０に分割されている。多数
のコネクタモデユール１３は電子的パッケージを含んで
おり、これをトランシーバ・ユニットあるいはデータ受
信ユニットと呼ぶ。コネクタモデユール１３は活性ケー
ブル部２０同志を電気的及び機械的に接続している。典
型的な地震センサケーブル体１２は５０以上の活性ケー
ブル部２０を含んでおり、合計の長さは１００００フィ
ート以上となる。各ケーブル部は１柵の電気的センサ・
ユニットを含んでおり、その各々が１チャネルを構成す
る。従つてケーブル体１２全体で５０柵のチャネルから
の出力を発生する。センサは、海中地震ケーブルの実施
においては水中マイクで良い。電気的センサ・ユニット
２１の出力信号はトランシーバ◆ユニットの１つに接続
され、ここから船１０の中央局２に送られる。

中央局２は探索信号、指令信号、電力及びテスト信号を
送出する制御回路４と、ケーブル内のデータ伝送リンク
からのデジタルデータ語を受信して記録するための装置
６とを含んでいる。船がケーブル体１２を水中でけん引
中に、一定の間隔で、空気銃又はガス爆発装置のような
人工地震波源１９が水中に音波を発生する。

この音波はたとえば経路１５に沿つて水中１４に拡散し
、水底２２に達する。ここで、水中１４と地中２４の音
の速度が異るため、音波は屈折して経路２３に沿つて進
む。音波が経路２３に沿つて地中を進み、次の地層２６
にぶつかつて反射される。反射された音波は経路２８に
沿つて進み、水底２２に達した後、経路３０に沿つて上
方に進む。この反射波はセンサ・ユニット２１で検出さ
れ電気信号に変換される。音波はさらに３１−３２−３
４−３６のごとき他の経路に沿つても進み、センサ２１
より遠い位置にあるセンサ●ユニット２「によつて検出
される。このような経路は音源１９とケーブル体１２上
の５０柵のセンサ●ユニットとの間にそれぞれ存在する
が、簡単のために図では２つの経路のみが示されている
。第２図ａは活性地震ケーブル部２０の先端部の縦方向
断面図てある。

説明の都合上、縦方向の長さを大幅に短縮して示されて
いる。このケーブル部は外部プラスチック包被４０、３
つのスチール製ストレス線４２及び４３（３番目のスト
レス線は図示されていない）、複数個の隔壁スペーサ４
４及び端末の隔壁４６を含んでいる。プラスチック包被
４０の内直径は２．７５インチでありまた厚さは０．１
８７インチである。隔壁スペーサ４４はプラスチック包
被４０の内部維持のために２フィート間隔で設けられて
いる。各スペーサ４４の３つの穴４８，４『，４８Ｉ（
第２図ｂ）はストレス線を通すためであり、また中央の
穴５０はトランクケーブル束５２を通すものである。包
被４０は末端隔壁４６にスチール製バンド５４，５６に
より固定されている。ケーブル全体には水中での浮力を
ゼロとするために軽油が満たされている。水中マイクの
ような複数個のセンサ２３はケーブル部２０内で６．５
６フィート（２メータ）おきに取りつけられている。各
センサは短い間隔で設けたスペーサ隔壁４４の間に取り
つけられている。各ケーブル部は少くとも３陥の地震セ
ンサ２３を含んでいる。好ましい実施例では、３つのセ
ンサ２３が並列に接続されて局部データ線５８，６０に
対して１個の装置のように働き、これによつて前述の基
本的センサ・ユニット２１の１つを構成している。セン
サは６．５６フィート間隔であるため、基本的センサ●
ユニットの長さは１３．１２フィート（４メータ）であ
り、ユニットの中央間の間隔は１９．６８フィート（６
メータ）となる。

局部データ線５８，６０はケーブル束５２に集まり、セ
ンサ・ユニット信号を多導体接続プラグ６２の適切なピ
ンに接続する。この装置において、３つのセンサから成
る基本的センサ●ユニットは単一のデータ●チャネルに
信号を印加する。センサ２３の並列接続により、各セン
サ２３の出力は代数的に加算される。もし地震波波面が
ケーブルと平行であれば、信号を加算することによつて
望ましい反射波が増強され、不必要なラングムノイズが
抑制される。

このような理想的な状況では、基本的センサ・ユニット
２１又は２「内の３つのセンサ２３のすべては波面を検
出して地震波を同位相て受信する。波源からの距離が増
加すると、角度は大きくなる。さらに、波経路の角度は
水底２２の角度、反射表面２６及びその他多くの要因の
影響を受ける。第２図Ｃは線２ｃ−２ｃに沿つたケーブ
ル部の断面図であり、包被４０内の地震波センサ及び補
助センサの構成を示している。

第２図ｃ内の参照番号は第２図ａの番号に対応している
。第２図ｄは第２図ｂの２ｄ−２ｄに沿つた隔壁４４の
断面図であり、ストレス線４２のための穴４８とケーブ
ル束５２のための穴５０を示している。２つのケーブル
部は第３図ａに示したように接続される。この例では、
隣り合つたケーブル部の端末は対称であり、よつてその
一方のみを詳細に述べる。ストレス線４２及び４３は末
端隔壁４６から突き出ており、標準的なＵリンク４５及
び４７で終端している。ケーブル束５２は末端隔壁４６
の中央の穴から出て、接続プラグ６２で終端している。
接続モジュール１３が隣接したケーブル部２０の間に設
けられている。

各接続モジュール１３はトランシーバ・ユニットを含ん
でおり、その目的は地震波センサ・ユニット及び補助セ
ンサからのアナログ信号を受信してこれをデジタル化し
、そのデジタル・データをケーブル束５２内のデータ伝
送リンクを介して船１０に送ることにある。接続モジュ
ール１３は隔壁コネクタ７６をその両端に持つており、
接続プラグ６２に結合される。これにより、センサ●ユ
ニットは内部トランシーバ●ユニットに接続され、また
トランシーバ●ユニットはトランクケーブル束５２内の
伝送リンク、探索リンク、電力及びテスト信号チャネル
に接続されている。短いストレス線７８，８０（第３の
ストレス線は図示されていない）はＵリンク８２，８４
で終端されており、これらはＵリンク４５，４７と結合
される。またストレス線７８，８０はスチール・クリッ
プ８６，８８によつて接続モジュール１３に留められて
いる。接続モジュール１３の筐体７５及び隔壁コネクタ
７６は最大２０００ｐＳｉの外部圧力に耐えるよう設計
されている。外部の大きさは２．５インチ×１４インチ
である。２つのケーブル部２０，２『を接続する場合、
ストレス線４２，４３のＵリンク４５，４７は短いスト
レス線７８，８０の対応するＵリンク８２，８４に対し
てピン９０，９２によつて固定される。

接続プラグ６２は接続モジュール１３の両端において隔
壁コネクタ７６に結合される。プラスチック・チューブ
９４の内径は包被４０の外径よりもわすかに大きく、末
端隔壁４６の上に被せてある。チューブ９４はスチール
・バンド９６，９８によつて隔壁４６に固定されている
。浮力のために、チューブ９４の内部には軽油を満たす
ことができる。海中てより良い浮力を得るためには、た
とえばタウ・ケミカル社で作られ、テキサス州ヒユース
トンのユニバーサル●ウレタン社で市販されているシン
タツクス泡を用いることができる。接続モジュール１３
の部分的断面図が第３図ｂに示されている。

円筒状筐体７５の両端は隔壁コネクタ７６で閉じられる
が、コネクタ７６は筐体７５の両端に作つたくぼみ１０
０に入れられる。０リング１０２及び１０４はコネクタ
７５に対する防水シールの働きをする。

隔壁コネクタ７６はスナップ・リング１０６によつて固
定される。線３ｃ−３ｃに沿つた接続モジュールの断面
図が第３図ｃに、又線３ｄ−３ｄに沿つた断面図が第３
図ｄに示されている。以下に詳しく述べるように接続モ
ジュール１３内に含まれているトランシーバ・ユニット
のエレクトロニクスは、第３図ｃ及びｄの３つのプリン
ト板１０８，１１０，１１２上に設けられている。トラ
ンシーバ・ユニットを含む３つのプリント板は３角プリ
ズムの形で収容されている。これらは内部筐体７５内に
挿入できるように設計されている。挿入の前に筐体７５
の内部に薄いガラス繊維のシート（図示されていない）
が敷かれ、エレクトロニクスをスチール製の壁と絶縁す
る。接続モジュール１３が組立てられた後、その内部に
はエレクトロニクス部品に無害の公知の任意の鉱物油が
みたされる。これは熱伝導を助けるとともに、水が入る
のを防止する。海で天候が悪い時には、船１０はピッチ
、ローール及びヨー軸のまわりに予想外の加速度を受け
る。

このような加速度を地震波センサケーブル体１２に与え
るのを避けるために、１つ又はそれ以上の弾性ケーブル
部１６が引込み部１７とケーブル１２との間に設けられ
る。弾性ケーブル部の構造は活性ケーブル部と同様であ
るが、地震波センサ及び補助センサは含まれていない。
またスチール製のストレス線の代りにナイロン又は他の
弾性体のローブが使われている。第２図ａのケーブル束
５２と同等のケーブル束は隔壁４４の中央の穴Ｊ５Ｏを
通されている。ただし、このケーブル束５２には十分な
たるみが与えられており、弾性ケーブル部が通常の５０
％まで伸びることを可能としている。好ましい設計にお
いては、このような可伸部が２個用いられる。接続モジ
ュール１３のプリント回路板１０８，１１０，１１２（
第３図ｄ）上に構成されているトランシーバ・ユニット
１１１のブロック図が第４図に示されている。

主要な要素は中継器１１牡探索回路網１１６、指令回路
網１１８、プリアンプ１２０、マルチプレクサ１２２、
利得調整アンプ１２牡アナログデジタル変換器（デジタ
イザ）１２６、出力レジスタ・コード変換器１２８、誤
り検出器１３０、制御回路網１３２、電源１３牡テスト
駆動器１３６、及びテスト・制御リレー１３８である。
アナログデータは基本的地震波センサ・ユニット２１か
ら、局部同軸ケーブル５８，６０プリアンプ１２０及び
フィルタを介してマルチプレクサ１２２の入力に印加さ
れる。コマンドパルスに応答して、制御回路網１３２は
マルチプレクサ１２２をチャネル＃０にリセットする。
一連の質問パルスの前縁に応動して、マルチプレクサは
通常のスキャンサイクルを歩進し、１つづつ入力チャネ
ルをサンプルする。好ましい実施例では１４個の入力チ
ャネルがある。チャネル＃０はダミイすなわち擬似チャ
ネルである。アナログ地震波データ信号はチャネル＃１
−１０を用いて扱われる。補助センサからのアナログ信
号はチャネル＃１１−１３を介して送られる。マルチプ
レクサ１２２がチャネル＃０にリセットされた時、いわ
ゆるシステム保守管理機能とテスト機能が実行される。

すなわち、利得調整アンプ１２４は利得１にセットされ
、またマルチプレクサ及びアンプ入力におけるＤＣ偏移
は除去される。チャネル＃１−１３の各々がサンプルさ
れるとき、サンプルされたアナログ信号は利得調整アン
プで利得調整される。

公知のように、人工地震波信号は１２０ｄＢ（１０００
０００：１）もの広いダイナミックレンジを持つている
。信号の利得調整は地震信号のダイナミックレンジを圧
縮してアナログ・デジタル変換器で扱える範囲内に抑え
るものである。利得調整された信号はアナログ・デジタ
ル変換器１２６によつて２進数に変換されるが、これは
浮動小数点数の符号と仮数部分を構成する。利得調整ア
ンプ１２４の利得の状態は４ビットヨードに符号化され
る。この４ビットコードは出力レジスタ１２８で仮数部
分と指数部分として結合されて１０乃至１６ビットの精
度の浮動小数点数に変換される。この浮動小数点数はサ
ンプリングされた時点における地震波データ信号の振幅
レベルを表わしている。好ましい利得調整アンプ１２４
の動作についてはアナログデジタル変換器１２６及び浮
動小数点データ語を作るための出力レジスタ１２８と関
連させて第５図乃至第８図によつて後で詳しく述べる。

典型的な動作サイクルにおいて各トランシーバ１１１の
１４個のアナログチャネルの全ては１スキャンサイクル
内にサンプルされる。

新しいスキャンサイクルは例えば０．５又は１ミリ秒お
きのような好ましいサンプル速度に第５乃至第８図を参
照して利得調整アンプシステムについて述べる。第５図
の左側は信号入カチヤネノ刀，，Ｃ２・・・Ｃｎを持つ
たマルチプレクサ１２２を含むアナログ信号収集システ
ムを示しており、マルチプレクサからバス３１２への出
力は単位利得バッファアンプ３２０の非反転入力に接続
されており、またその出力はサンプル・保持回路３２２
に接続されている。アンプ３２０は例えばナショナル・
セミコンダクタ・インクで作られたＬＦ３５６を用いる
ことができる。利得調整アンプ１２４は、入力端子３１
３０及び出力端子３１３２を含んでおり、また基本的に
少くとも２つ、望ましくは４つの直列に接続されたアン
プ段Ａｌ，Ａ２・・・ＡｒＩｌを含んでいる。

各アンプ段は第６図に示すように１対の入力端子３１３
３及び３１３４と、出力端子３１３５を含んでいる。第
１のアンプ段Ａ１への非反転入力３１３３は、サンプル
保持回路３２２の出力を受信する入力端子３１３０に接
続されている。最終アンプ段Ａ．．の出力３１３２は信
号利用装置及び“゜窓゛比較器３１３８に印加されてお
り、該装置は前記のようにアナログデジタル（Ａ／Ｄ）
変換器１２６である。各アンプ段の利得は、２つの利得
状態、すなわち１に等しい低利得状態と、高利得状態Ｇ
ｉとのいずれかにセットされる。ここでＧｉはｉ”番目
のアンプ段（１＝１、２・・・ｍ）の高利得値である。
各アンプ段の利得状態をセットする制御器１３２は、複
数の制御回線を含む制御バス３４１を介してスイッチ３
１６及び３２６に接続されている。

制御器１３２はマルチプレクサ・スキャンサイクルにお
いて入力チャネルＣ１−Ｃｎを順に進める。制御器１３
２に付随して、可変基準デコーダ３１４４及び比較器３
１３８がある。

利得制御線３１５０及び雑音相殺制御線３１６０が制御
器１３２をアンプ段Ａ１−Ａｍの各々に接続している。
簡単のために１つの利得制御線３１５０及び１つの雑音
相殺制御線３１６０が第５図て示されているが、これら
の制御線はアンプの数だけ用意されていることは明らか
である。好ましい実施例では、制御器１３２はテキサス
●インストラメントの集積回路７４Ｓ１６１のごとき同
期形でプログラム可能なりウンタである。

基準デコーダ３１４４は、モトローラのＭＣｌ４Ｏ８Ｌ
，のごときデジタル・アナログ変換器である。比較器３
１３８はＬＭ３ｌｌのごとき電圧比較器で、またアンプ
段Ａ１−Ａ．．の各々はＬＦｌ５６のごとき高入力イン
ピーダンス演算増幅器であり、これらはともにナショナ
ル・セミコンダクタで作られている。アンプ段Ａ１−Ａ
．．の各々は利得制御回路及びオフセット相殺回路を含
んでおり、これらは第６図に詳細に示されている。

該制御回路は抵抗３１７０，３１７２から成る電圧分割
器、ＦＥＴスイッチ３１７４，３１７６、及び特定の利
得制御線３１５０を含んでいる。利得設定中、スイッチ
３１７６が閉じられ、スイッチ３１７４が開かれている
時に、アンプの出力信号が出力３１３５から入力３１３
４にフィードバックされ、これによつて．アンプ段はそ
の低利得状態すなわち１に設定される。スイッチ３１７
４が閉じられ、スイッチ３１７６が開かれていると、抵
抗３１７０がアンプのフィードバックループ内に入れら
れるため、アンプ段は高利得状態、たとえばアンプ段Ａ
１ではＧｌ，にセットされる。このような利得状態は、
第６図のような各アンプ段に対して制御器１３２から来
ている制御線３１５０上の制御信号に応動してセットさ
れる。オフセット相殺回路はＦＥＴスイッチ３１８２，
３１８４，３１８６、コンテンサ３１８８、及びオフセ
ット相殺制御線３１６０を含んでいる。

スイッチ３１８２が閉じられる時には、スイッチ３１８
４及び３１８６は開けられる。各アンプ段の特性を修正
するための雑音除去、すなわちオフセット電圧除去モー
ドにおいては、制御器１３２は制御線３１５０を介して
信号を送つてスイッチ３１７６を閉じ、スイッチ３１７
４を開け、これによつて各アンプ段を低利得状態にする
。

同時に、制御器１３２はスイッチ３１８２を開いて入力
端子３１３０を利得調整アンプ１２４と分離し、またス
イッチ３１８４（第６図及び第７図）を閉じて節点３１
９０をアンプの出力端゜子３１３５に接続する。アンプ
への入力端子３１３３はスイッチ３１８６を閉じること
によりアースされる。スイッチ３１８２，３１８４及び
３１８６は制御線３１６０に到着する信号によつて駆動
される。次に、■オフセットがあると、これはアンプの
出力端子３１３５に現れる。図のように接続されている
コンデンサ３１８８は、入力端子３１３３に戻されるこ
のオフセット電圧＋■を充電するが、その極性は第８図
のコンデンサ極板３１８８ａ，３１８８ｂに付随して示
したようになる。このようなオフセット除去モードが完
了すると、制御器１３２は制御線３１６０からの第２の
制御信号によつてスイッチ３１８２を閉じ、またスイッ
チ３１８４，３１８６を開けることにより、入力端子３
１３０を利得調整アンプ１２４に再び接続するとともに
、アンプ段を正常な動作モードにする。コンデンサ３１
８８に蓄えられた充電電圧＋Ｖは、ここで到来する入力
信号Ｖｉｎに代数的に加算され、第８図に示したように
、アンプ段の内部で生じるオフセット電圧＋Ｖは実質的
に相殺される。

よつて、アンプ段の出力信号は、アンプ段にセットされ
る利得値にはかかわらず、ｘオフセットを含まない。上
記のオフセット電圧除去モードに入るべき頻度は、直流
のすれが生じる比率と、アンプの入力インピーダンスに
よつて決まる。利得調整動作において、各チャネル（例
えばチャネルＣ１）に対する利得決定サイクルの開始時
において、すべてのアンプは低利得にセットされる。

制御器１３２は、一連の可変基準電圧ステップを表わす
一連のデジタルコードを順次発生する。このデジタルコ
ードは基準デコーダ３１４４において対応する基準電圧
ＶＲに変換される。基準電圧は次のような順で、順次ス
テップが進められる。ＶＲｌ＝ＶＢ／Ｇ１、■Ｒ２＝Ｖ
Ｂ／Ｇ２Ｏ、ＶＲｍ＝ＶＢ／Ｇｍただし、Ｇｌ，Ｇ２・
・・Ｇｎ．はそれぞれアンプ段Ａｌ，Ａ２・・・Ａ．．
の高利得状態の利得であり、ＶＢは、アナログ・デジタ
ル変換器１２６の最大人力電圧の整数分の１になつてい
る。

利得Ｇｌ，Ｇ２等は、例えば２のような、ある数のべき
乗の値は各アンプについてそれぞれ異なる。可変基準電
圧値ＶＲ、は、対応するアンプ段の利得値は逆比例して
いる。制御器１３２は、オフセット電圧除去モード及び
利得調整モードのいずれにおいても、アンプ段を低利得
にセットするステップを含んでいる。この共通のステッ
プによつて、これらの機能を実現するのを容易にしてい
る。良好な実施例では、Ｇｉ＝７″−１である。

たとえば、４つのアンプ段（ｍ＝４）から成る利得調整
アンプでは、それぞれのアンプ段の高利得値は、Ｇ１＝
２５伝Ｇ２＝１ｅＫＧ３＝４、Ｇ２＝２となる。よつて
、４個の高利得のセットのみで、２のべき乗のステップ
で２のＯ乗（すなわち１）から２の１渫（すなわち３２
、７６８）の範囲で、利得調整アンプ１２４の総利得を
変えることができる。これを実現するには、単に４個の
利得決定のみを行えばよい。利得比較は、まず最大の利
得を持つアンプ段について行われ、その後、順次利得の
低いアンプ段について行われる。以下に利得調整動作を
詳細に述べる。

４つのすべてのアンプ段が低位利得にセットされたとき
、出力端子３１３２に現われる、システムの出力電圧の
絶対値１Ｖ０１は、比較器３１３８によつて第１の基準
電圧ＶＲｌ＝■Ｂ／２５６と比較される。

比較器３１３８は電圧Ｖ。を整流した後、その絶対値を
基準電圧ＶＲｌと比較する。この比較の結果は制御器１
３２に印加される。もしＩＶＯｌ≧ＶＲｌならば、制御
器１３２はアンプ段Ａ１の利得を低利得のままにする。
もしＩＶＯｌ＜ＶＲｌなら、制御器１３２はアンプ段Ａ
１を利得Ｇ１、すなわち２５６にする。以後、順にスイ
ッチング動作が行われ、一連の出力電圧の値１Ｖ０Ｉが
可変基準電圧ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４と順次比較される
。これらの比較が行われる度に、比較に使われた基準電
圧に相当する、次に低い利得を持つたアンプ段に対する
利得決定が制御器１３２で行われる。比較器３１３８は
端子３１３２の出力電圧１■。

Ｉを増幅器Ａ１に対応する基準電圧ＶＲｌと比較する。
比較が負であると、すなわち■。の絶対値が■Ｒ１より
小さいと、比較器３１３８は制御器１３２に命令を発し
、通常閉じているスイッチ３１７６を開けさせ、通常開
いているスイッチ３１７４を閉じさせる（第６図）。ア
ンプ段Ａ１は、これによつて高利得状態にセットされる
。サンプルされて、サンプル・保持回路３２２に保持さ
れている信号は、その高利得状態にあるアンプ段Ａ１と
、低利得状態にあるアンプ段〜一人とからなるアンプシ
ステムによつて増幅される。この新しい値がＩＶＯｌく
Ｖ８２であると、すなわち第２の比較の結果も負てある
と、比較器３１３８は制御器１３２に命令を出してアン
プ段Ａ２を高利得状態にする。サンプルされた信号は、
高利得状態にあるアンプ段Ａｌ，Ａ，と、低利得状態に
あるアンプ段Ａ３，Ａ４から成る利得調整アンプによつ
て増幅されることになる。次の値も１Ｖ０１＜ＶＲ３で
あると、すなわち３番目の比較も負であると、制御器１
３２はアンプ段Ａ３（図示されていない）をその高利得
状態にする。４番目の比較でもＩＶＯｌく■Ｒ，である
と、制御器１３２はアンプ段Ａ，（これはＡ．．に対応
する）を高利得状態にするが、１Ｖ０１≧ＶＲであると
制御器１３２はこのアンプ段を低利得のままとする。

４番目の比較器３１３８は制御器１３２に指令を送り、
これによつてアナログ・デジタル変換器１２６は出力端
子３１３２に現れる電圧■。

を受信してこれをデジタル数に変換する。各利得選択動
作の終了後、直列接続された４つのアンプ段の総合利得
は、制御器１３２によつてデジタル利得コードに符号化
される。

このコードは利得調整アンプ１２４に含まれるアンプ段
数に等しい数のビットを含み、その各ビットはスイッチ
３１７６の状態を示している。すなわち、スイッチ３１
７６が開であれば、対応するビットは“１゛であり、閉
であれば゜゜０゛となる。よつて、４段のアンプ段のと
きには、すべてのアンプ段が低利得にセットされた場合
には、利得コードは００００となる。もし総合利得が？
であればコードは０１１０となる。よつて、４つのアン
プ段で、４つの判定のみで、２進利得調整アンプ１２４
は２１５個の利得ステップを与える。

公知のシステムでこの結果を得るためには、托個のアン
プ段と１帽の判定を必要とする。２進利得調整アンプ１
２４は、上記の制御回路とともに、公知の利得調整アン
プに必要な時間の数分の１で利得調整を行うことができ
、またこの利得調整アンプに必要な体積も大幅に減少さ
れている。

好適な実施例においては、利得は２進数を使用して与え
られるが、他の進数例えば３進、８進あるいはｗ進数を
使用することもできる。

一般的にいつて、以上の説明は望ましい実施例について
述べたものであり、個々の回路又は構成について本発明
の精神を逸脱することなく種々の変更をほどにすことが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は海中て使われ船でけん引される地震波データ処
理システムの一実施例の全体を示す図であり、第２図ａ
乃至ｄは第１図の地震波ケーブルの断面図であり、第３
図ａ乃至ｄは第１図の地震波ケーブルの一部を成しトラ
ンシーバを含む接続モジュール断面図であり、第４図は
トランシーバの回路図であり、第５図は本発明の実施例
で用いられる２進利得調整アンプシステムのブロック図
であり、第６図は第５図のシステムのアンプ段の雑音相
殺手段を示しており、第７図及び第８図は第６図の回路
で実現された雑音相殺原理を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力端子と出力端子とを備えた利得調整アンプシス
   テムにおいて、前記入力端子と出力端子との間に直列に
   接続され、高利得状態と利得１の状態とを各々有する複
   数のアンプ段からなる利得調整アンプ１２４、前記各ア
   ンプ段に対しそれぞれ異なつた、前記両利得状態間の増
   幅比率に反比例する複数の個別的基準電圧を発生する基
   準デコーダ３１４４；基準電圧と出力端子の信号電圧と
   の間の差に応動する比較器３１３８；及び前記基準電圧
   と出力端子信号電圧との比較の結果に応じて利得１の状
   態と高利得状態との間の切り換えを行なう制御器１３２
   を備え、該アンプ段が増幅度の増加する順序に配列され
   増幅比率が一定数のべき乗に等しく該べきが順次配列さ
   れるアンプ段に対して指数曲線的に増加され、該制御器
   が全アンプ段に対し利得１の状態を選択することにより
   各操作シーケンスが開始され、該比較器の出力がより高
   利得状態が必要なることを示す場合に各アンプ段が順次
   高利得状態に選択的に切換えられている利得調整アンプ
   システム。 ２ 特許請求の範囲第１項の利得調整アンプシステムに
   おいて、前記アンプ段はアンプを含み、該アンプのオフ
   セット電圧まで充電され、ついで該制御器の制御により
   該アンプの入力に接続されて出力からのオフセット電圧
   を打消すコンデンサ３１８８を含むことを特徴とする利
   得調整アンプシステム。 ３ 特許請求の範囲第２項の利得調整アンプシステムに
   おいて、該制御器の制御に基づき前記コンデンサは該ア
   ンプ段に対し利得１の状態が選択されている間に該アン
   プにより充電され、ついで該コンデンサが反転極性で該
   アンプ入力端子に接続されて該システムのオフセット電
   圧を打消すことを特徴とする利得調整アンプシステム。