基于浮点放大技术的瞬变接收系统研究

党瑞荣 赵文涛 任志平

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

基于浮点放大技术的瞬变接收系统研究

党瑞荣 赵文涛 任志平

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

文章在简要介绍瞬变电磁基本原理的基础上分析了瞬变信号的特点,由于瞬变信号的动态范围比较大而且信号前、后期差异比较大,因此一般的采集系统难以满足高速、高精度的要求,所以提出了基于浮点放大技术的瞬变接收系统原理框图,从而在不影响采样精度的前提下提高了采样速度。

瞬变电磁法;浮点放大;接收系统

0 引 言

瞬变电磁法(Transient Electro-magnetic Methods)又称时间域电磁方法(time domain electro-magnetic methods),简称TEM,是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域电磁探测方法。它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次场,在其激发下,地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的二次场。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息,在一次脉冲磁场的间歇期间,利用接收线圈,通过对二次场的提取和分析,从而达到探测地下地质体的目的。一个完整的瞬变电磁系统包括发射部分、接收部分及上位机软件部分组成,接收部分在一次场间歇时刻开始测量二次场。由于瞬变电磁信号动态范围比较大,所以需要提高A/D的量化位数以提高系统的精度,但是由于A/D位数的提高必然会降低系统的采样速度,因此为了兼顾精度和速度,采用浮点放大技术能够提高整个系统的性能。

1 瞬变电磁信号时间特性

根据瞬变电磁的理论可知,局部良导体上用接收线圈观测到的感应电压的时间特性取决于:

图1 瞬变电磁信号衰减特性示意图

可见其异常幅度及衰减速度很大程度上取决于导体的时间常数值,信号的衰减规律如图1所示。对于良导电矿体而言,由于τ值较大,尽管初始响应的幅值并不很大,但衰减却相当慢;相反当τ值较小时,初始相位较大而衰减时间比较短。

瞬变信号属于微弱信号,如图1所示,在早期,信号幅值高而且衰减速度很快;在晚期,信号幅值小,衰减速度却很慢。典型的衰减时间范围从100μs～200 μs至10 ms～20 ms,信号幅值从早期的n×105μV衰减到晚期的0μV。由于信号在早期和晚期差异较大,为了不失真的确定瞬变衰减特性,就要求在满足采样点数的前提下,在早期减小采样时间间隔密集采样,在晚期由于衰减较慢可以增大采样间隔时间。

2 基于浮点放大的接收系统硬件框图

瞬变电磁接收系统接收一次场间歇的二次场,由于信号动态范围大,晚期信号甚至小到微伏级,且信号的衰减时间较快,所以一般的采集系统不能满足要求。而基于浮点放大技术的接收系统能同时满足高速、高精度的要求,且系统的频带较宽,系统精度不受A/D量化位数的限制,因此浮点放大技术是瞬变电磁信号采集的首选。图2所示为瞬变电磁系统框图,接收线圈的感应信号首先经过前置放大电路,前置放大电路应为低噪声双端输入的仪器用放大器,消除共模干扰,然后信号经过低通滤波器消除高频噪声进入浮点放大部分,在CPLD时序逻辑单元的协调下,A/D采样电路完成信号的采集并将采集到的数字信号存入存储器供DSP处理。

图2 瞬变电磁接收系统框图

3 浮点放大原理及电路

3.1 浮点放大的原理

通用的数据采集系统,由于A/D转换器的位数有限,限制了整个系统的动态范围。而瞬变电磁信号的动态范围很大,这样通用的数据采集系统的动态范围不能满足系统的要求。从采集精度的角度来考虑,如果被采集的信号的幅值远小于A/D转换器的满量程值,这将严重影响A/D转换的相对精度。瞬变电磁接收系统中,如果单一的提高A/D的量化位数,虽然可以提高系统的精度,但是由于高精度的A/D速度比较慢,满足不了高速的要求。如果在A/D转换器之前增设一个可变增益的放大器,则可以扩大数据采集系统的动态范围,提高A/D转换器的相对精度。

浮点数据采集系统中,A/D转换器输出的定点数称为尾数,而根据模拟子样的瞬时值输出的定点数称为阶码,接收系统同时记录阶码与尾数,类似于计算机中的浮点数的表示方法,因此简称瞬时浮点放大器(简称IFP)。图3所示是采用 IFP的数据采集系统示意图。

3.2 浮点放大电路设计

如图2中虚线所示为浮点放大电路框图,它由程控放大电路、预采样电路和A/D采样构成。系统所需的控制时序及增益控制,均由CPLD完成,可以采用EPM7128。EPM7128通过编程,使用多种计数器、逻辑电路、时钟电路等组成的纯硬件子系统实现A/D的控制、转换、读取时序,不仅降低了成本、减少了系统的复杂程度、提高了系统可靠性,而且便于以后升级。

图3 采用IFP的数据采集系统示意图

预采样电路主要由AD7821构成,AD7821是AD公司的8位高速A/D转换芯片,其采样频率为 1 MHz,转换时间最大660 ns,而且AD7821的模拟输入可以设置成单极性(0～+5V)或双极性(-2.5 V～+2.5 V),应用比较灵活。由于瞬变信号为双极性,所以AD7821需设置为双极性输入。

A/D采集部分采用AD公司的16位A/D转换芯片AD7663,其采样率为250KSPS模拟电压输入,范围为双极性:2.5 V、5 V、10 V;单极性:0～+2.5 V、0～+5 V、0～+10 V,单电源5 V供电,应用比较灵活,设置为-2.5 V～+2.5 V双极性输入。

程控放大器根据CPLD确定的增益码实现对输入信号的放大,放大后的信号由16位A/D转换器完成采集,因此放大后在不超出16位A/D输入量程的前提下,可以尽量提高程控的增益,以提高系统的动态范围。考虑到瞬变信号为双极性,程控放大电路选用双极性输入的PGA202实现对信号1、10、100、1000倍的放大。

4 前置放大及滤波器设计

4.1 前置放大电路

考虑到接收线圈、接收机前置级与地之间必然存在着漏电阻及分布电容,由于这种漏电阻与分布电容的存在,将会对测量结果产生影响。为了抑制这种干扰,要求前置放大器采用双端输入的差分放大器,这样漏电阻与分布电容的影响就相当于一个共模信号加到差分放大器的输入端而被抑制,而不影响差模信号。

图4所示为基于 INA118的前置放大原理图,INA118是美国BB公司的一款高精度、低功耗的仪器用放大器。其失调电压最大为50μV,噪声小、仅为10 μV,静态电流仅为350μA,而且INA118仅一个外接电阻就可设置为1到10000的放大倍数,应用比较灵活,可以满足系统的要求。

4.2 滤波电路设计

图4 前置放大原理图

瞬变信号的频带从直流延伸到几十kHz的范围,因此需利用低通滤波电路滤除高频干扰。滤波器的设计可以利用运放设计高阶滤波器也可采用通用型集成有源滤波器模块UAF42。该器件可以设置为高通、低通、带通和带阻电路,UAF42内部集成了四级精密运算放大器、50 kΩ0.5%的精密电阻和1 000 pF 0.5%的精密电容,这就解决了有源滤波器设计中需要选取精密电容和电阻的问题,简化了有源滤波器的设计。如图5所示,UAF42设置成反向输入,RG取50 kΩ,RF1和RF2的阻值根据如下公式选取[5]:

图5 UAF42原理图

5 结 论

瞬变电磁接收系统是整个瞬变电磁系统的关键,是后期数据处理及反演解释的基本条件,接收系统的性能直接影响着整个系统的优劣。文中表述的基于浮点放大技术的瞬变电磁接收系统,能同时满足高速、高精度的要求,是目前国内外普遍采用的一种方法。由于浮点放大技术的采用,克服了系统精度受A/D转换器制约的影响,为后期数据处理提供了高可靠性的数据。

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P631.3+3

B

1004-9134(2010)01-0076-03

863计划资助(2007AA06Z217)

党瑞荣,男,1957年生,博士、教授、博士生导师,1991年毕业于南京理工大学,获博士学位,现在西安石油大学从事数字信号处理及井下信息探测研究及教学工作。邮编:710065

2009-08-10编辑刘雅铭)

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