分布式槽波地震儀模擬電路的研制

楊 柳，徐 曲，唐 躍，柴修偉，李 智

1.湖北廣播電視大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.湖北省安全生產(chǎn)應(yīng)急救援中心，湖北 武漢 430070；

3.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074

在煤礦的地球物理勘探開發(fā)方面，槽波檢測(cè)是近些年來一種比較新型的探測(cè)方法。利用槽波信號(hào)在煤層的透射和反射獲取相應(yīng)的頻率、幅度和相位差等有用信息，通過上位機(jī)分析軟件，反演出煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和分布［1］。在運(yùn)用“分布式”設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，以同步精度高為特點(diǎn)的分布式槽波地震儀在直觀效果和抗干擾能力及一致性方面表現(xiàn)俱佳［2］。但在槽波地震儀的研制中，同步精度和弱信號(hào)的檢測(cè)能力是影響儀器指標(biāo)的關(guān)鍵，同時(shí)儀器需兼顧低功耗和抗干擾能力。在以往的槽波地震儀設(shè)計(jì)中，為了滿足同步精度和弱信號(hào)的檢測(cè)指標(biāo)參數(shù)的要求，運(yùn)用了比較復(fù)雜的多種電路。由此帶來了一些問題：由于元器件過多帶來的參數(shù)不一致，導(dǎo)致同步精度不易達(dá)到一致；弱信號(hào)放大級(jí)數(shù)較多，電路內(nèi)部易產(chǎn)生干擾信號(hào)；電路復(fù)雜，導(dǎo)致功率損耗加大；元器件的集成性不夠高，導(dǎo)致在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下外部干擾信號(hào)的防范困難。因此，本文從電路的電源管理和信號(hào)調(diào)理入手，設(shè)計(jì)合理的電路方案，提高同步檢測(cè)精度和低功耗。

1 電源管理模塊

使用鎳氫電池組進(jìn)行供電的槽波地震儀非常便攜，但電池電壓需要轉(zhuǎn)換成不同的電壓值才能被后續(xù)電路器件所使用。本設(shè)計(jì)中選擇直流斬波器（DC-to-DC converter，DC/DC）電 源 芯 片DFA6-12S70輸出7 V電壓，再經(jīng)由低壓差穩(wěn)壓器（low-dropout regulator， LDO） TPS7A4701 和TPS7A9533分別得到+5 V和+3.3 V電壓；-5 V電壓則是先由LT1931A轉(zhuǎn)換成-7 V，再經(jīng)過TPS7A3301芯片轉(zhuǎn)換得到。

圖1 模擬電源轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Diagram of analog power conversion

DFA6-12S70是一種隔離型DC/DC電源芯片。DC/DC電源的主要特點(diǎn)是電源轉(zhuǎn)換效率高，通常在90%左右甚至更高。若直接使用線性電源將12 V轉(zhuǎn)換成5 V，則會(huì)因輸入輸出壓差過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率過低和芯片發(fā)熱等問題。隔離型DC/DC電源的優(yōu)點(diǎn)是將輸入端電源可能存在的較大環(huán)境噪聲與輸出隔離開。TPS7A4701、TPS7A3301和TPS7A9533是TI公司推出同一系列的線性電源芯片，3款芯片均具有1 A以上的帶負(fù)載能力，完全滿足本設(shè)計(jì)中硬件電路功率的要求。該系列電源芯片除了本身具有低噪聲特性外，同時(shí)具有很高的電源紋波抑制比（power supply rejection ratio，PSRR）。PSRR較大的電源芯片會(huì)將輸入端的電壓信號(hào)紋波噪聲在輸出電源上得到很大程度抑制，進(jìn)一步提高電源模塊的低噪聲要求和抗干擾能力［3］。

本文設(shè)計(jì)的電源模塊采用DC/DC電源和LDO電源組合的方式，既考慮了電源轉(zhuǎn)換效率，又提高了電路的抗干擾能力，為模擬硬件電路的正常工作提供了保障。

2 信號(hào)調(diào)理單元

2.1 程控放大電路

信號(hào)調(diào)理單元的第一級(jí)與檢波器電路相連接，為了使檢波器輸出的信號(hào)完全有效地被后續(xù)電路所接收，則信號(hào)調(diào)理單元的首級(jí)電路應(yīng)具有較高的輸入阻抗。系統(tǒng)選用的程控放大器是PGA281，電路如圖2所示。

圖2 程控放大器電路圖Fig.2 Programmable amplifier circuitry

PGA281是TI公司推出的一款高精度儀表放大器，輸入阻抗大于1 GΩ，具有數(shù)控增益和信號(hào)完整性測(cè)試功能。該放大器可通過自動(dòng)歸零技術(shù)來提供偏移電壓，同時(shí)具有近零的偏移和很小的增益漂移等出色的性能，而且基本沒有1/f噪聲。在較寬的頻帶范圍內(nèi)，PGA281可以提供高達(dá)140 dB的共模抑制比，這使得該放大器具有較高的分辨率和測(cè)量精度［4］。芯片輸入阻抗大、功耗小，而且使用簡(jiǎn)單，外圍電路少，非常適合用在系統(tǒng)的前端。

PGA281首先將四通道的檢波器信號(hào)進(jìn)行增益放大，然后傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）進(jìn)行同步采樣。PGA281在5個(gè)I/O口（G0、G1、G2、G3、G4）的控制下，除了可提供 2組、每組8檔的放大增益外，還能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行3檔衰減。配合芯片軌到軌輸出和完全差分的設(shè)計(jì)，拓寬了系統(tǒng)的后續(xù)使用范圍，同時(shí)為儀器的升級(jí)提供硬件平臺(tái)支撐。本設(shè)計(jì)中選用1、2、4、8、16、32和64的增益倍數(shù)，在硬件系統(tǒng)上直接將“G4”腳接地，再通過控制I/O口來選擇增益。系統(tǒng)上電初始化后，儀表放大器PGA281增益引腳賦值為“1010”，將增益設(shè)置為最大，之后根據(jù)需要可以在參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)中再進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 低通濾波器電路

煤礦巷道是一種半封閉環(huán)境，因各種施工機(jī)械的存在而有較強(qiáng)的干擾信號(hào)。對(duì)于這些信號(hào)，作為電氣設(shè)備共同終端的大地也是干擾信號(hào)的進(jìn)入源［5］。而就槽波地震信號(hào)而言，其有用頻率范圍為10～4 000 Hz，可以采用濾波器濾除大于4 000 Hz的頻帶外干擾信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的低通濾波器電路為典型的二階巴特沃斯低通濾波器［6］，電路如圖3所示，其電路傳遞函數(shù)為：

其中品質(zhì)因數(shù)Q為0.707，截止頻率ωc約等于27 kHz。就這個(gè)系統(tǒng)的濾波器終端頻率而言，在其為單電源供電時(shí)約13 kHz，僅為雙電源供電時(shí)的1/2。電路采用芯片ADA4528，其最大失調(diào)電壓為2.5 μV，最大失調(diào)電壓溫漂為0.015 μV/℃。1 kHz信號(hào)增益為100時(shí)的噪聲密度僅為5.6 nV。最小共模抑制比為135 dB，具有軌到軌輸出功能，完全滿足儀器的性能需要［7］。

圖3 低通濾波器電路圖Fig.3 Low-pass filter circuitry

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

3.1 電源噪聲測(cè)試

系統(tǒng)電源噪聲水平也是衡量模擬電路的一項(xiàng)重要指標(biāo)，測(cè)量系統(tǒng)電源在工作時(shí)的噪聲，如圖4所示。由圖4可以看出，系統(tǒng)各電源的平均噪聲不超過-5～+5 mV。

3.2 低通濾波電路測(cè)試

測(cè)試時(shí)，利用CA1642-20數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器輸出10 Hz、峰峰值為2.5 V、帶有2.5 V直流偏置的正弦信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過增益為1的程控放大器后直接進(jìn)入低通濾波器，再利用GDS-1102A數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量低通濾波器的輸出信號(hào)電壓峰峰值和頻率［8］。

由圖5可以看出，低通濾波器的截止頻率約為12.7 kHz，而且在小于4 kHz的頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)基本沒有衰減或放大的變化，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 程控放大模塊精度測(cè)試

通過分壓器分壓產(chǎn)生-2.5～2.5 V的連續(xù)可調(diào)電壓，將該電壓同時(shí)接入四路差分放大電路，經(jīng)過放大和濾波之后再分別進(jìn)入ADC器件進(jìn)行同步采樣。

圖4 系統(tǒng)各電源噪聲圖像：（a）7 V，（b）-7 V，（c）5 V，（d）3.3 VFig.4 Noise images of system powers：（a）7 V，（b）-7 V，（c）5 V，（d）3.3 V

對(duì)ADC連續(xù)采集100次所得電壓求平均值，作為單次采集的結(jié)果。同時(shí)利用6位半數(shù)字萬用表測(cè)出ADC輸入端的電壓值，并將輸入電壓做擬合曲線，再根據(jù)擬合公式計(jì)算出擬合電壓和輸出電壓的差，測(cè)試數(shù)據(jù)見表 1［9］。

由表1的數(shù)據(jù)可得，擬合電壓和輸出電壓無明顯的差別，互差部分平均偏差為0.8 mV，程控單元部分電路測(cè)量精度在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求之內(nèi)［10］。

圖5 低通濾波器波特圖Fig.5 Low-pass filter Bode curves

表1 程控放大單元測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data of programmable amplification V

3.4 通道一致性測(cè)試

程控放大器增益設(shè)置為64，ADC的采樣率頻設(shè)置為12 kHz，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2 mV、240 Hz的正弦波。將系統(tǒng)的輸入端同極性短接，然后再分別與信號(hào)發(fā)生器的輸出端相連，用采集站系統(tǒng)采集信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，利用上位機(jī)軟件（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的專用軟件）進(jìn)行顯示［11］。

由圖6可以看出，相同輸入信號(hào)情況下，采集站系統(tǒng)的4個(gè)通道的輸出波形基本一致，本文設(shè)計(jì)地震儀的模擬電路的通道一致性良好。

圖6 系統(tǒng)通道一致性測(cè)試Fig.6 Channel conformance testing of system

3.5 野外震源實(shí)地測(cè)試

為驗(yàn)證地震儀整體性能及系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，需要結(jié)合震源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮到井下巷道的特殊工作環(huán)境，采用人工錘擊的方法，在地表淺層地震試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)［12］。

按照地震勘探的方式放置檢波器，順序依次為通道 1、通道 2、通道 4 和通道 3［13］。采用小錘激發(fā)地震，地震波的強(qiáng)度較小，因此，檢波器的間距較小，約為40 cm。激發(fā)后，采集站采集地震波數(shù)據(jù)［14］。采集完成后，用上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)并配合上位機(jī)軟件（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的專用軟件）繪制波形，如圖7所示。圖7中4個(gè)通道的波形數(shù)據(jù)符合地震波的傳播規(guī)律，槽波地震儀符合設(shè)計(jì)要求［15］。

圖7 四通道地震波同步檢測(cè)波形Fig.7 Synchronous detection of waveforms of seismic wave

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的分布式槽波地震儀模擬電路主要包括電源管理模塊和信號(hào)調(diào)理單元兩部分。電源管理模塊采用DC/DC電源和LDO線性電源組合，提高了電路抗干擾性能，滿足地震儀低功耗要求；信號(hào)調(diào)理單元采用程控放大器串接二階有源低通濾波器方式。測(cè)試和實(shí)驗(yàn)表明，模擬電路具有信號(hào)檢測(cè)精度高、同步性好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。