《武汉工程大学学报》 2019年02期
194-198
出版日期：2019-04-18
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
分布式槽波地震仪模拟电路的研制
在煤矿的地球物理勘探开发方面，槽波检测是近些年来一种比较新型的探测方法。利用槽波信号在煤层的透射和反射获取相应的频率、幅度和相位差等有用信息，通过上位机分析软件，反演出煤层的地质结构和分布［1］。在运用“分布式”设计理念的基础上，以同步精度高为特点的分布式槽波地震仪在直观效果和抗干扰能力及一致性方面表现俱佳［2］。但在槽波地震仪的研制中，同步精度和弱信号的检测能力是影响仪器指标的关键，同时仪器需兼顾低功耗和抗干扰能力。在以往的槽波地震仪设计中，为了满足同步精度和弱信号的检测指标参数的要求，运用了比较复杂的多种电路。由此带来了一些问题：由于元器件过多带来的参数不一致，导致同步精度不易达到一致；弱信号放大级数较多，电路内部易产生干扰信号；电路复杂，导致功率损耗加大；元器件的集成性不够高，导致在复杂现场环境下外部干扰信号的防范困难。因此，本文从电路的电源管理和信号调理入手，设计合理的电路方案，提高同步检测精度和低功耗。1 电源管理模块使用镍氢电池组进行供电的槽波地震仪非常便携，但电池电压需要转换成不同的电压值才能被后续电路器件所使用。本设计中选择直流斩波器（DC-to-DC converter，DC/DC）电源芯片DFA6-12S70输出7 V电压，再经由低压差稳压器（low-dropout regulator，LDO）TPS7A4701和TPS7A9533分别得到+5 V和+3.3 V电压；-5 V电压则是先由LT1931A转换成-7 V，再经过TPS7A3301芯片转换得到。图1 模拟电源转换示意图Fig. 1 Diagram of analog power?conversion?DFA6-12S70是一种隔离型DC/DC电源芯片。DC/DC电源的主要特点是电源转换效率高，通常在90%左右甚至更高。若直接使用线性电源将12 V转换成5 V，则会因输入输出压差过大导致转换效率过低和芯片发热等问题。隔离型DC/DC电源的优点是将输入端电源可能存在的较大环境噪声与输出隔离开。TPS7A4701、TPS7A3301和TPS7A9533是TI 公司推出同一系列的线性电源芯片，3款芯片均具有1 A以上的带负载能力，完全满足本设计中硬件电路功率的要求。该系列电源芯片除了本身具有低噪声特性外，同时具有很高的电源纹波抑制比（power supply rejection ratio，PSRR）。PSRR较大的电源芯片会将输入端的电压信号纹波噪声在输出电源上得到很大程度抑制，进一步提高电源模块的低噪声要求和抗干扰能力［3］。本文设计的电源模块采用DC/DC电源和LDO电源组合的方式，既考虑了电源转换效率，又提高了电路的抗干扰能力，为模拟硬件电路的正常工作提供了保障。2 信号调理单元2.1 程控放大电路信号调理单元的第一级与检波器电路相连接，为了使检波器输出的信号完全有效地被后续电路所接收，则信号调理单元的首级电路应具有较高的输入阻抗。系统选用的程控放大器是PGA281，电路如图2所示。 PGA281是TI公司推出的一款高精度仪表放大器，输入阻抗大于1 GΩ，具有数控增益和信号完整性测试功能。该放大器可通过自动归零技术来提供偏移电压，同时具有近零的偏移和很小的增益漂移等出色的性能，而且基本没有1/f噪声。在较宽的频带范围内，PGA281可以提供高达140 dB的共模抑制比，这使得该放大器具有较高的分辨率和测量精度［4］。芯片输入阻抗大、功耗小，而且使用简单，外围电路少，非常适合用在系统的前端。PGA281首先将四通道的检波器信号进行增益放大，然后传送至模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）进行同步采样。PGA281在5个I/O口（G0、G1、G2、G3、G4）的控制下，除了可提供2组、每组8档的放大增益外，还能对输入信号进行3档衰减。配合芯片轨到轨输出和完全差分的设计，拓宽了系统的后续使用范围，同时为仪器的升级提供硬件平台支撑。本设计中选用1、2、4、8、16、32和64的增益倍数，在硬件系统上直接将“G4”脚接地，再通过控制I/O口来选择增益。系统上电初始化后，仪表放大器PGA281增益引脚赋值为“1010”，将增益设置为最大，之后根据需要可以在参数设置环节中再进行调节。2.2 低通滤波器电路煤矿巷道是一种半封闭环境，因各种施工机械的存在而有较强的干扰信号。对于这些信号，作为电气设备共同终端的大地也是干扰信号的进入源［5］。而就槽波地震信号而言，其有用频率范围为10~4 000 Hz，可以采用滤波器滤除大于4 000 Hz的频带外干扰信号。本文设计的低通滤波器电路为典型的二阶巴特沃斯低通滤波器［6］，电路如图3所示，其电路传递函数为：[Au(s)=Au0ω2cs2+ωcQs+ω2c]其中品质因数[Q]为0.707，截止频率[ωc]约等于27 kHz。就这个系统的滤波器终端频率而言，在其为单电源供电时约13 kHz，仅为双电源供电时的1/2。电路采用芯片ADA4528，其最大失调电压为2.5 μV，最大失调电压温漂为0.015 μV/℃。1 kHz信号增益为100时的噪声密度仅为5.6 nV。最小共模抑制比为135 dB，具有轨到轨输出功能，完全满足仪器的性能需要［7］。3 测试实验分析3.1 电源噪声测试系统电源噪声水平也是衡量模拟电路的一项重要指标，测量系统电源在工作时的噪声，如图4所示。由图4可以看出，系统各电源的平均噪声不超过-5~+5 mV。3.2 低通滤波电路测试测试时，利用CA1642-20数字合成信号发生器输出10 Hz、峰峰值为2.5 V、带有2.5 V直流偏置的正弦信号。信号经过增益为1的程控放大器后直接进入低通滤波器，再利用GDS-1102A数字存储示波器测量低通滤波器的输出信号电压峰峰值和频率［8］。由图5可以看出，低通滤波器的截止频率约为12.7 kHz，而且在小于4 kHz的频带范围内，信号基本没有衰减或放大的变化，符合设计要求。3.3 程控放大模块精度测试通过分压器分压产生-2.5~2.5 V的连续可调电压，将该电压同时接入四路差分放大电路，经过放大和滤波之后再分别进入ADC器件进行同步采样。对ADC连续采集100次所得电压求平均值，作为单次采集的结果。同时利用6位半数字万用表测出ADC输入端的电压值，并将输入电压做拟合曲线，再根据拟合公式计算出拟合电压和输出电压的差，测试数据见表1［9］。由表1的数据可得，拟合电压和输出电压无明显的差别，互差部分平均偏差为0.8 mV，程控单元部分电路测量精度在设计指标要求之内［10］。3.4 通道一致性测试程控放大器增益设置为64，ADC的采样率频设置为12 kHz，信号发生器产生2 mV、240 Hz的正弦波。将系统的输入端同极性短接，然后再分别与信号发生器的输出端相连，用采集站系统采集信号发生器产生的波形，并将数据传输至上位机，利用上位机软件（中国地质大学开发的专用软件）进行显示［11］。由图6可以看出，相同输入信号情况下，采集站系统的4个通道的输出波形基本一致，本文设计地震仪的模拟电路的通道一致性良好。3.5 野外震源实地测试为验证地震仪整体性能及系统可靠性和稳定性，需要结合震源进行实验。考虑到井下巷道的特殊工作环境，采用人工锤击的方法，在地表浅层地震试验场进行模拟实验［12］。按照地震勘探的方式放置检波器，顺序依次为通道1、通道2、通道4和通道3［13］。采用小锤激发地震，地震波的强度较小，因此，检波器的间距较小，约为40 cm。激发后，采集站采集地震波数据［14］。采集完成后，用上位机读取数据并配合上位机软件（中国地质大学开发的专用软件）绘制波形，如图7所示。图7中4个通道的波形数据符合地震波的传播规律，槽波地震仪符合设计要求［15］。4 结 语本文设计的分布式槽波地震仪模拟电路主要包括电源管理模块和信号调理单元两部分。电源管理模块采用DC/DC电源和LDO线性电源组合，提高了电路抗干扰性能，满足地震仪低功耗要求；信号调理单元采用程控放大器串接二阶有源低通滤波器方式。测试和实验表明，模拟电路具有信号检测精度高、同步性好、系统稳定等特点。