三數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理

PAGEPAGE17第三章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理第一節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成＝1\*ＧＢ1⒈傳感器：將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送至儀器輸入電路。=2＼＊GＢ1⒉儀器輸入電路:傳感器與儀器之間的匹配電路,它作為傳感器的輸出負(fù)載必須具有足夠高的輸入阻抗,同時(shí)它的輸出信號(hào)作為儀器的輸入信號(hào),要求它具有非常小的輸出阻抗。儀器輸入電路對(duì)共模干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力，即具有很高的共軛抑制比。圖3-１數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成框圖=3＼*ＧB１⒊低噪聲前置放大器:對(duì)檢測(cè)到的微弱電信號(hào)給以固定增益的放大，由于該放大器位于儀器一系列電路的前端，它的噪聲是儀器整體系統(tǒng)噪聲的主要提供者，因此任何電子儀器測(cè)量系統(tǒng)的前置放大器都必須是低噪聲電路。=4\*GＢ1⒋電模擬濾波器=1\＊ＧＢ3①低切濾波器:用來(lái)去除低頻干擾信號(hào)，在地震勘探工作中低頻干擾信號(hào)主要是指面波信號(hào)。=２\*GＢ３②高切濾波器:它用來(lái)去除高頻干擾，在數(shù)字信息采集系統(tǒng)中，一般都設(shè)置采樣開(kāi)關(guān)，這樣高切濾波器主要用來(lái)去除信號(hào)中不滿足采樣定理的假頻成分，假頻信號(hào)的頻率是信號(hào)中比折疊頻率還高的高頻成分。＝３＼*ＧB3③陷波器:它用來(lái)除去50Ｈz的工業(yè)頻率干擾。＝5\＊GＢ１⒌多路采樣開(kāi)關(guān):在一個(gè)采樣周期之內(nèi)，對(duì)全部各路信號(hào)按先后順序分別采樣一次，將多路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多路合一；同時(shí)將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬子樣脈沖。=６＼＊ＧＢ１⒍模數(shù)轉(zhuǎn)換器:則將每一個(gè)子樣脈沖電壓轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。=7\*GＢ1⒎數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng):將二進(jìn)制代碼按照國(guó)際專業(yè)技術(shù)組織的規(guī)定,進(jìn)行編排和編碼，編排主要是將一定長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編排成便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的字節(jié)形式;編碼則是為了數(shù)據(jù)寫讀的方便，針對(duì)數(shù)碼“1”和“0”對(duì)磁帶剩余磁通的變化方式所作出的規(guī)定。第二節(jié)輸入電路和低噪聲前置放大器一、差動(dòng)放大器輸入電路A1和A２的輸出分別為V１和V2,它們可表示為，?放大器A3具備輸入平衡條件,它的輸出V０表示為閉環(huán)增益為：由于該電路具有很高的輸入阻抗和共模抑制比，許多數(shù)字地震儀的輸入電路都采用了該形式的電路.二、低噪聲前置放大器＝1＼*ＧB1⒈對(duì)前置放大器的噪聲要求在沒(méi)有信號(hào)輸入(放大器入口接地)的情況下，由于內(nèi)部噪聲源的存在,放大器仍有輸出信號(hào)，該信號(hào)即為放大器的噪聲。把放大器電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值除以該電路的增益K，即得到放大器的等效輸入噪聲。以三級(jí)放大器為例,輸出噪聲為：等效輸入噪聲為:針對(duì)集中式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，前置放大器、濾波器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、浮點(diǎn)放大器(主放）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器為五個(gè)互不相關(guān)的噪聲源，等效輸入噪聲為:等效輸入噪聲反應(yīng)了儀器實(shí)際所能記錄的最小信號(hào)的幅度Viｍin(即）。輸入信號(hào)一旦小于等效輸入噪聲，輸入信號(hào)將被儀器噪聲所淹沒(méi)（即信噪比小于１）。從上述分析可以看出,系統(tǒng)整體等效輸入噪聲主要由前置放大器提供，同時(shí)較大的前置放大器的增益可以有效減少后繼電路噪聲的影響。2．雙端輸入單端輸出型前置放大器電路?兩個(gè)反向器的輸出之間的電位差為,是以為主的第一級(jí)負(fù)反饋放大器的輸出，放大倍數(shù)為：同時(shí)，又是第二級(jí)放大器的輸入信號(hào),在輸入平衡條件下,第二級(jí)放大器的增益為:，放大器總的增益為:在下面的第二個(gè)電路實(shí)例中,放大器的閉環(huán)增益為：第三節(jié)電模擬濾波器低切濾波器1、二階有源低切濾波器低切濾波器的作用是消除面波為主的低頻干擾,根據(jù)節(jié)點(diǎn)電位法：解上方程組可得以拉氏變換形式表示的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為+－ARR2+－ARR2ViVOC1R1C2VO圖3-7二階有源低切濾波器令則該濾波器的頻率響應(yīng)及其幅頻特性為＝１\＊ＧB3①令=1２ＨZ，；由上式推得：R=13.２7，有Ｑ＝0.5=2\＊GB3②令=１２ＨZ,,Q=１/，可得:k＝２,＝9．３８＝3\*ＧB３③令＝12HZ，，Q=1,求出:ｋ=4,=6.68這樣便得到在相同截止頻率，不同品質(zhì)因數(shù)下的幅頻曲線對(duì)比圖如圖3-8。圖圖3-8二階有源低切濾波器對(duì)比2、DFS－=５\＊ROMANV數(shù)字地震儀三階有源低切濾波器DFS—＝5＼＊ROMＡNＶ?jǐn)?shù)字地震儀三階有源低切濾波器如圖3-９。，統(tǒng)一用c表示,用節(jié)點(diǎn)電慰法列寫各節(jié)點(diǎn)電位方程組DFS－V三階有源低切濾波器參數(shù)表截止頻率（Ｈz)RARＢRC截止頻率（Hz）RＡRBＲC3。５1８。53k17。51ｋ１４2.３ｋ１2５.490k５．04ｋ42．１５ｋ５.３12.３５ｋ11.34ｋ94.８3k183.６60k3。3６k28．１０k88．230k7.5６k６3。22k２72。44ｋ２.２4k18.７3ｋ由此可以導(dǎo)出拉氏變換形式的系統(tǒng)傳遞為上式中的電容C=Ｃ1０=Ｃ1１=Ｃ1２，低切濾波器的截止頻率為它的陡度為１8dB/oｃｔ。該低切濾波器的頻率特性曲線如圖３—１０,從左到右依次是截至頻率為3.5HZ、5。3HZ、8HZ、12HＺ、1８HZ、27ＨZ的三階有源低切濾波器和5１2HＺ高切濾波器的幅頻特性曲線。圖3圖3-10DFS-V地震儀低切濾波器和512HZ高切濾波器幅頻特性二階有源高切濾波器將二階有源低切濾波器的電阻和電容的位置對(duì)調(diào)后就得到二階有源高切濾波器如圖3-１１所示，由節(jié)點(diǎn)電位法：導(dǎo)出傳遞函數(shù)圖3圖3—１1二階有源高切濾波器可得幅頻特性其中用同樣的分析方法,令=6４HZ:＝１\*GＢ3①令=＝1．0，，由(３—27）推出:=2。４9Ｋ,Q=0．５;圖3-12二階有源高切濾波器對(duì)比=2\*GB3②令=2．49K,，Q=,由（3-２7)推出：ｋ=0.５,＝８。87＝３\*GＢ3③令=２.49Ｋ，，Q＝1,由（３-27）推出k=０。２5,＝2．0用上述三個(gè)參數(shù)組可以畫出相同截止頻率，不同品質(zhì)因數(shù)下的二階有源高切濾波器的幅頻曲線如圖3－12。從圖中可以看出，在相同截至頻率下,Q值越小，曲線越平滑。２、DFＳ-=5\＊ROMANV數(shù)字地震儀去假頻濾波器組成原理為了將陡度提高到7０dＢ/oct以上，DFS-=５\＊ROMANＶ?jǐn)?shù)字地震儀采用兩個(gè)不對(duì)稱有源雙梯網(wǎng)和一個(gè)二階有源高切濾波器級(jí)聯(lián)組成去假頻濾波器。第一級(jí)有源雙梯網(wǎng)的陷波點(diǎn)接近于折迭頻率fn,第二級(jí)有源雙梯網(wǎng)的陷波點(diǎn)高出第一級(jí)的30％，二階有源高切濾波器四分之一采樣頻率。有有源雙T網(wǎng)絡(luò)有源雙T網(wǎng)絡(luò)二階有源高切濾波器二階有源帶通濾波器輸入輸出?圖3－１４DFＳ-Ⅴ高切濾波器電路截止頻率fc（Hz）R1（Ω）Ｒ２Ω）R３（Ω)R4(Ω)Ｒ5（Ω）Ｒ6（Ω）R7(Ω）Ｒ8（Ω)R９(Ω）３215１２８１51289４1618370１8３７04６066９５502６4６0４1６４06４756４75６４４7089１8５9１85２３0３3４7751３230208201２83782378２２３5４4５9245９2１15１６2338６６１５１041025618911８911１７7２２96２２9６57５８11９４33075205圖3－１3DＦS—Ⅴ高切濾波器組成框圖及其幅頻特性曲線 電路分析以第一級(jí)雙梯網(wǎng)絡(luò)為例它的傳遞函數(shù)為其中：，,,,振幅特性為：（3－29)陷波點(diǎn)為f1，f0為固有頻率（〈，例如:截止頻率為3２Ｈz時(shí),R１=R2＝1512８,R３=９416，故f0=2７Ｈz,ｆ1=6３Ｈz.）,它等于折迭頻率。三、陷波器由于陷波器只對(duì)一個(gè)頻率進(jìn)行衰減，同時(shí)又盡可能地通過(guò)其它頻率成份,所以要求陷波器的幅頻特性曲線具有更高的陡度,有很窄的切口。DFＳ—V陷波器電路陷波器電路參數(shù)表陷波頻率/Hz電阻值/ΩR1R2Ｒ３R４Ｒ55０2061060４229444１３04５０1６6０206872822９43６63１3751316.64５３31９2９5０451３１２69１35０４7圖３－17DFS－V陷波器幅頻特性圖中由運(yùn)算放大器AR和R4、Ｒ5、R２、C１、C２、C3組成有源雙梯網(wǎng)絡(luò)，傳遞函數(shù)為:其中:，。第四節(jié)多路采樣開(kāi)關(guān)（ＭUX）一、多路采樣開(kāi)關(guān)的基本功能在一個(gè)采樣周期之內(nèi)，多路采樣開(kāi)關(guān)對(duì)全部各路信號(hào)按先后順序分別采樣一次,將多路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多路合一；同時(shí)將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬子樣脈沖（即采樣）。圖3-18集中式地震儀地震道組成框圖二、多路采樣開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)例（DＦS-=5\*ＲOMAＮ圖3-18集中式地震儀地震道組成框圖ＤFS－＝5\＊ROMＡNV型地震儀的每個(gè)模擬箱體可容納６０個(gè)地震道,前放濾波和多路采樣開(kāi)關(guān)每6道組裝在一塊ＦM板上，共有10塊ＦＭ板。圖中為每塊板上圖3—19DFＳ—=5＼*ＲＯMＡNV型MUX組成的6個(gè)道開(kāi)關(guān)，為10塊FM板上的串聯(lián)開(kāi)關(guān)，為10塊ＦM板上的并聯(lián)開(kāi)關(guān)。每個(gè)采樣周期內(nèi)，按先后順序依次采板上的子樣，當(dāng)采某一塊板上的地震道時(shí),該塊板的串聯(lián)開(kāi)關(guān)接通,并聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，６個(gè)道開(kāi)關(guān)依次交替接通。不被采樣的板，其串聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并聯(lián)開(kāi)關(guān)接通.多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)板地址譯碼表采樣板序號(hào)板地址代碼BAE板地址譯碼輸出FM*１~100804020112３４５６78９10100000１1１１1１１11２０００1101111１11１3０0１０110１11１111400１1１1101１１111501０0111１011111６０1０1１1１1１011１17011０11１11１0１１１８011１1１１１111０１191０0０１11１１１１１０1１0100１１１111１11１０板串聯(lián)開(kāi)關(guān)及并聯(lián)開(kāi)關(guān)的控制指令為。當(dāng)時(shí)，第塊FM板的串聯(lián)開(kāi)關(guān)接通,并聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；時(shí),第塊ＦＭ板的串聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并聯(lián)開(kāi)關(guān)接通。按先后順序出現(xiàn)０電平,則先后完成第一至第十塊FM道路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)道地址譯碼表采樣道序號(hào)道地址代碼CAE道地址譯碼器輸出０4020１０1２３４51000０１１1112００11０11１１301０11０1１１４0１１1110115100111101６1０1１1１110板的采樣工作.板地址控制代碼為BAＥ-０8、04、02、01,該代碼經(jīng)譯碼后輸出十個(gè)板開(kāi)關(guān)控制指令。每個(gè)FM板上六個(gè)道開(kāi)關(guān)的控制端來(lái)自于道地址譯碼器的輸出。道地址代碼為ＣAＥ—0４。0２.0１,CＡE代碼從０0０變化到10１三、多路采樣開(kāi)關(guān)控制原理時(shí)鐘系統(tǒng)采樣地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘系統(tǒng)采樣地址計(jì)數(shù)器可編程只讀存儲(chǔ)器板地址譯碼器道地址譯碼器同步啟動(dòng)32KHzCNT-01CNT-02CNT-04CNT-08CNT-16CNT-32BAE-01BAE-02BAE-04BAE-08CAE-01CAE-02CAE-0431PROM10976158426543模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/Ｄ）一、逐次逼近型Ａ／D基本原理1、逐次逼近型Ａ／Ｄ基本組成ＣAE—０2Ｔ網(wǎng)及T網(wǎng)開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生權(quán)電壓VT，碼寄存器存儲(chǔ)比較器每次的比較結(jié)果ＢRL。權(quán)電壓VT與子樣比較，若子樣大于VＴ，則位取舍電平BＲL=1，控制碼寄存器的第一位為1，表示取用該位,電路仍產(chǎn)生第一位的權(quán)電壓;反之，ＢRＬ=0，表示該位被舍去，控制碼寄存器的第一位為０，電路不再產(chǎn)生第一位的權(quán)電壓。接下來(lái)的第二、第三、……、最后一位,逐位均進(jìn)行相同的判斷量化ＣAE—０2比較器比較器2T網(wǎng)及T網(wǎng)開(kāi)關(guān)碼寄存器邏輯控制待轉(zhuǎn)換子樣輸入VTBRLan-1……….a0CONVSTRT圖3-22逐次逼近型A/D組成框圖逐次逼近型A/Ｄ轉(zhuǎn)換原理示例舉例：用四位A／Ｄ轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓進(jìn)行量化.如圖3-３3所示,其中量化電平為。碼寄存器的初始狀態(tài)：,梯網(wǎng)開(kāi)關(guān)均接地，權(quán)電壓。=1\＊GB3①節(jié)拍出現(xiàn)上跳沿時(shí),接電源，＜，位取舍電平ＢRＬ＝１,判斷為取，碼寄存器。=２\*ＧＢ3②節(jié)拍出現(xiàn)上跳沿時(shí)，、接電源,＞，位取舍電平ＢRL＝０,判斷為舍,碼寄存器.=3\*GB3③節(jié)拍出現(xiàn)上跳沿時(shí)，、接電源,＜,位取舍電平BRL＝1，判斷為舍，碼寄存器。=４\*GＢ3④節(jié)拍出現(xiàn)上跳沿時(shí)，、、接電源，>，位取舍電平ＢRL＝0，判斷為舍,碼寄存器。A/D轉(zhuǎn)換器量化的最后結(jié)果為，代表+10ｍV的電壓。圖3-23四位逐次逼近型A/D原理示意圖二、逐次逼近型Ａ/D應(yīng)用實(shí)例（ＤＦS-Ⅴ型A/Ｄ) 1。二采保持工作在此期間,輸入開(kāi)關(guān)和二采開(kāi)關(guān)中的串聯(lián)開(kāi)關(guān)接通，并聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),反相積分器和差值放大器構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋放大器，對(duì)輸入子樣進(jìn)行－0.5８倍放大:2．A/D轉(zhuǎn)換器量化工作?在此期間，輸入開(kāi)關(guān)和二采開(kāi)關(guān)中的串聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),并聯(lián)開(kāi)關(guān)接通。首先確定符號(hào)位,這時(shí)權(quán)電壓仍然為零（VT＝0）.子樣為正時(shí)，VＣ=-0.5８Vi＜０,所以VN＜0，位取舍電平ＢＲL=１；子樣為負(fù)時(shí),VC＝—0．５8Vｉ＞0,所以ＶN>０，位取舍電平BRL=0.BRL去符號(hào)位碼寄存器,在端輸出符號(hào)位Ｓ,所以S=0代表正；S=1代表負(fù)。子樣符號(hào)確定以后開(kāi)始量化,這時(shí)權(quán)電壓不為零（VＴ≠0)。由于保持電壓Vｃ是樣電壓的０。５８倍,則此時(shí)要求權(quán)電壓也應(yīng)該是正常值(4０96ｍV、