一種用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，由正峰值檢波電路、基準(zhǔn)電壓電路、信號(hào)放大電路、電壓比較電路、至少兩級(jí)放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過(guò)信號(hào)放大電路后與比較端連接，基準(zhǔn)電壓電路與電壓比較電路另一比較端連接，電壓比較電路的輸出端與兩級(jí)放大電路的控制端連接，電壓比較電路產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)控制兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。利用本實(shí)用新型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電法勘探信號(hào)的高效、可靠的自動(dòng)增益控制。
【專利說(shuō)明】—種用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，尤其涉及一種可用于電法勘探儀器中激電電壓信號(hào)處理的自動(dòng)增益控制電路。

【背景技術(shù)】
[0002]在電法勘探中，電法勘探信號(hào)接收機(jī)采集的電壓信號(hào)具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，通常情況下，電壓信號(hào)幅值的動(dòng)態(tài)范圍在±lmV?±10V。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行有效放大，接收機(jī)應(yīng)具有自動(dòng)增益控制功能。
[0003]在接收機(jī)放大倍數(shù)控制方面，目前主要有三種方法。第一種方法是用戶設(shè)置各級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。采用這種方法的有美國(guó)GE0METRICS公司生產(chǎn)的EH-4，加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V5-2000和V-8等接收機(jī)。這要求用戶對(duì)干擾的大小、頻率范圍和信號(hào)的大小有詳細(xì)的了解，并且熟悉儀器內(nèi)部的功能。通常保險(xiǎn)的做法是將第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置到最小，但是這將導(dǎo)致接收機(jī)的等效輸入噪音增大，使信號(hào)觀測(cè)的精度下降，滿足不了電法勘探的要求。第二種方法是接收機(jī)自動(dòng)設(shè)置放大倍數(shù)。采用這種方法的接收機(jī)有美國(guó)ZONGE公司生產(chǎn)的GDP32-1I，具體方法是先將第二級(jí)放大電路后面跟隨的抗混疊濾波電路屏蔽，然后測(cè)量信號(hào)大小，調(diào)整第二級(jí)放大電路放大倍數(shù)。再將抗混疊濾波啟動(dòng)，調(diào)整第三級(jí)放大電路放大倍數(shù)。將第一級(jí)放大電路放大倍數(shù)設(shè)置為最低或人工選擇放大倍數(shù)模式下由用戶設(shè)置。該方法的缺點(diǎn)是無(wú)法知道干擾的大小，第一級(jí)設(shè)置為低增益時(shí)可能導(dǎo)致無(wú)法對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)放大，高增益時(shí)可能導(dǎo)致放大電路飽和。第三種方法是放大倍數(shù)智能控制方法。這種方法由中南大學(xué)提出(專利號(hào)CN101009039A)，主要特點(diǎn)是將各級(jí)放大電路放大倍數(shù)設(shè)置模式分為無(wú)干擾、弱干擾、中等干擾、強(qiáng)干擾四種模式，針對(duì)不同的噪聲環(huán)境選擇不同的控制策略。該方法能夠根據(jù)不同的干擾環(huán)境選擇最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)各級(jí)放大電路的放大倍數(shù)的正確有效設(shè)置，然而存在的問(wèn)題是控制算法相對(duì)復(fù)雜，降低了探測(cè)效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電法勘探接收機(jī)的上述缺陷，提供一種抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、轉(zhuǎn)換速度快的自動(dòng)增益控制電路。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):由正峰值檢波電路、基準(zhǔn)電壓電路、信號(hào)放大電路、電壓比較電路、至少兩級(jí)放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過(guò)信號(hào)放大電路后與比較端連接，基準(zhǔn)電壓電路與電壓比較電路另一比較端連接，電壓比較電路的輸出端與兩級(jí)放大電路的控制端連接，電壓比較電路產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)控制兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。利用本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電法勘探信號(hào)的高效、可靠的自動(dòng)增益控制。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；
[0007]圖2 (a)為現(xiàn)有激發(fā)極化測(cè)量中激勵(lì)電流波形的一種雙頻合成電流波形示意圖；
[0008]圖2 (b)為現(xiàn)有激發(fā)極化測(cè)量中一種雙頻激發(fā)極化信號(hào)波形示意圖；
[0009]圖2 (C)為一種數(shù)字脈沖控制信號(hào)波形示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明正峰值檢波電路的電路圖；
[0011]圖4為本發(fā)明基準(zhǔn)電壓電路的電路圖；
[0012]圖5為本發(fā)明電壓比較電路的電路圖；
[0013]圖6為本發(fā)明放大電路1、II電路圖。
[0014]其中，1.正峰值檢波電路，2.基準(zhǔn)電壓電路，3.信號(hào)放大電路，4.電壓比較電路，
5.放大電路I，6.濾波電路I，7.放大電路II，8.濾波電路II。

【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)施例不得用于解釋對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0016]在電法勘探中，激發(fā)極化法需要通過(guò)兩個(gè)供電電極向地下發(fā)送激勵(lì)電流，常用的激勵(lì)電流波形為雙頻合成電流波形(如圖2(a))，地下介質(zhì)在激勵(lì)電流的作用下發(fā)生激發(fā)極化效應(yīng)，產(chǎn)生激電電壓信號(hào)(如圖2(b)),由于該電壓信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大可達(dá)±lmV?±10V，而之前的方法都不能達(dá)到理想效果。以該探測(cè)方法為例，對(duì)本發(fā)明的原理及電路進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]參照?qǐng)D1。本實(shí)施例包括正峰值檢波電路1，基準(zhǔn)電壓電路2，信號(hào)放大電路3，電壓比較電路4，放大電路15，濾波電路16，放大電路117，濾波電路118。被測(cè)激電電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)信號(hào)處理后，進(jìn)入到本發(fā)明本實(shí)施例自動(dòng)增益控制電路。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)正峰值檢波電路I后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過(guò)信號(hào)放大電路后與比較端連接，基準(zhǔn)電壓電路2與電壓比較電路另一比較端連接，電壓比較電路4的輸出端與放大電路15及放大電路117的控制端連接，電壓比較電路4產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路15及放大電路117放大倍數(shù)的控制。
[0018]本實(shí)施例將±lmV?±10V電壓峰值范圍分為四組，分別是O?±10mV, ±10?±100mV，±100?±1000mV，±1?±10V?？紤]到電壓比較電路4的分辨率，通過(guò)信號(hào)放大電路3將O?±100mV的激電電壓信號(hào)放大10倍。因此，電壓比較電路4的四組門限電壓分別為 O ?10mV，100 ?100mV，100 ?100mV，I ?1V。
[0019]參照?qǐng)D2、3。正峰值檢波電路I由LF398芯片構(gòu)成的采樣保持電路、LM311構(gòu)成的比較器電路、74LVC1G32構(gòu)成的或門電路以及低通濾波電路組成。傳統(tǒng)的正峰值檢波電路將比較器的輸出端COLOUT直接與采樣保持電路的邏輯控制端LOGIC連接，采樣保持電路對(duì)輸入信號(hào)VPPIN進(jìn)行采樣，輸出信號(hào)VPPOUT與輸入信號(hào)VPPIN的峰值通過(guò)比較器電路進(jìn)行比較，當(dāng)VPPIN的峰值高于VPPOUT時(shí)，比較器輸出端COLOUT被置成高電平，VPPOUT變?yōu)閂PPIN的峰值；當(dāng)VPPIN的峰值低于VPPOUT時(shí)，COLOUT被置成低電平，VPPOUT保持不變，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)正峰值的檢波。因此，當(dāng)周期信號(hào)峰值出現(xiàn)下降時(shí)該檢波電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，即只能對(duì)遞增信號(hào)峰值進(jìn)行檢波，而無(wú)法對(duì)遞減信號(hào)峰值進(jìn)行檢波。為了解決這一難題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了二輸入或門控制電路，輸入端A與比較器電路的輸出端COLOUT連接，輸入端B與數(shù)字脈沖控制信號(hào)PULSE0UT(如圖2(c))連接，PULSE0UT表達(dá)式如公式(I)所示:
[0020]
[VhηΤ + τ]<?<ηΤ + τ2
U = \ H4⑴

[VLr _ ηΤ + rli'Xt > πΤ + τ2
[0021]式中:
[0022]T表示脈沖信號(hào)的周期，即輸入低頻信號(hào)的周期；
[0023]τ = τ 1-τ 2表示控制信號(hào)的脈沖寬度,取τ << T ；
[0024]Vh、八分別表示數(shù)字高電平及低電平。
[0025]數(shù)字脈沖控制信號(hào)PULSE0UT由單片機(jī)控制產(chǎn)生，相位與雙頻合成激勵(lì)電流(如圖2(a)) —致。當(dāng)激電電壓信號(hào)(如圖2(b))峰值增大時(shí)，比較器電路的輸出端COLOUT被置成高電平，采樣保持電路的邏輯控制端LOGIC也被置成高電平，輸出信號(hào)VPPOUT變?yōu)樵龃蠛蟮姆逯担划?dāng)激電電壓信號(hào)峰值減小時(shí)，輸出端COLOUT被置成低電平，數(shù)字脈沖控制信號(hào)PULSE0UT產(chǎn)生高電平脈沖時(shí)，邏輯控制端LOGIC也被置成高電平，輸出信號(hào)VPPOUT變?yōu)闇p小后的峰值。從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的正峰值檢波。
[0026]參照?qǐng)D4?；鶞?zhǔn)電壓電路2為電壓比較電路4提供基準(zhǔn)電壓，可知基準(zhǔn)電壓電路2 需要產(chǎn)生 3 個(gè)基準(zhǔn)電壓值，即 REi7O = 0V, REFl = 10mV, REF2 = IV，REF3 = 10V。基準(zhǔn)電壓電路2由+1V基準(zhǔn)電壓芯片REF102及精密電阻組成，旁路去耦電容選用IuF鉭電容。REF102芯片產(chǎn)生+1V基準(zhǔn)電壓，其他基準(zhǔn)電壓通過(guò)精密電阻分壓產(chǎn)生，分壓電阻分別選用10kQ精密電位器、1kQ精密電位器及IkQ精密電阻，通過(guò)調(diào)整電位器產(chǎn)生所需基準(zhǔn)電壓值。
[0027]為了提高比較器對(duì)微弱信號(hào)的分辨率，在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行比較之前，利用信號(hào)放大電路3對(duì)微弱直流信號(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)放大電路3的作用是將正峰值檢波電路I產(chǎn)生的O?10mV電壓信號(hào)進(jìn)行有效放大，提高電壓比較電路電壓比較精度。在本實(shí)施例中，放大倍數(shù)設(shè)為10倍，信號(hào)放大電路3由精密的斬波自穩(wěn)零放大芯片LTC2057、精密電阻、電容、穩(wěn)壓管等組成。
[0028]參照?qǐng)D5。電壓比較電路4是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的關(guān)鍵，作用是將被測(cè)信號(hào)峰值VPPOUT或放大后的信號(hào)峰值VPPAMP與多組門限電壓比較，比較后產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)，通過(guò)控制放大電路15及放大電路117實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。電壓比較電路4由比較器芯片LM339構(gòu)成的電壓比較器及與門芯片⑶4081構(gòu)成的與門電路組成。為便于理解電壓比較電路4的功能,將電壓比較器輸入、輸出以及與門輸出情況列表,如表I所不:
[0029]表I電壓比較電路比較功能
[0030]組別比較器輸入比較器輸出I比較器輸出2與門輸出

REFO<VPP

1UT =120UT =1 CONl=I

AMP<REF1
第——組----
^VPP AMP>REF1 1UT=O20UT=1 CONl=O
VPP AMP<REF0 1UT=I20UT=0 CONl=O

REFKVPP

30UT =140UT =1 C0N2=1

AMP<REF2
第二組----
VPP AMP>REF2 30UT=140UT=0 C0N2=0
VPP AMP<REF1 30UT=040UI=1 C0N2=0
[0031]

REFKVPP

oOUT =160UT =1 C0N3=1

0UKREF2
第三組----
一， VPP OUT >REF2 50UT=060UT=1 C0N3=0

VPP OUT <REF1 50UT=160UT=0 C0N3=0

REF2<VPP OUT

70UT =180UT =1 C0N4=1

<REF3
第四組----

VPP OUT >REF3 70UT=180UT=0 C0N4=0

VPP OUT <REF2 70UT=080UT=1 C0N4=0
[0032]參照?qǐng)D6。兩級(jí)放大及濾波電路的作用是在電壓比較電路4產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)控制作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)激電電壓信號(hào)的有效放大。放大電路15、117均由精密斬波自穩(wěn)零放大芯片LTC2057構(gòu)成的同相放大電路、多路模擬開(kāi)關(guān)芯片MAX313構(gòu)成的模擬開(kāi)關(guān)電路以及精密電阻組成。濾波電路15、117采用截止頻率為25Hz的4階低通濾波電路，作用是濾除工頻以及高頻噪聲。同相放大電路的放大倍數(shù)如公式(2)所示，信號(hào)輸入輸出范圍、放大電路15、117的放大倍數(shù)及總增益如表2所示。
[0033]G = \ + ^r-⑵

Ri
[0034]式中:
[0035]G表示同向放大電路的放大倍數(shù)；
[0036]R1, R2分別表示反向輸入端電阻及反饋電阻阻值；
[0037]表2放大電路放大倍數(shù)
[0038]
放大電路I 放大電路II 輸入范圍總增益輸出范圍
放大倍數(shù)放大倍數(shù)
(T±10mV100101000(Γ 土 1V
[0039]
±1(T± 10mV1010100± IV?± 1V
±10(T±1000mV10I10±ι?！捆搔驭?br> ±1?±10VIII土 rT±10V
[0040]放大電路15、117的放大倍數(shù)通過(guò)ΜΑΧ313構(gòu)成的模擬開(kāi)關(guān)電路以及反饋電阻實(shí)現(xiàn)，模擬開(kāi)關(guān)電路的通斷由電壓比較電路4產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)字控制信號(hào)為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)選通，當(dāng)數(shù)字控制信號(hào)為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。根據(jù)表I可知，電壓比較電路4經(jīng)過(guò)對(duì)輸入信號(hào)正峰值的比較判斷后，每次只能輸出一個(gè)高電平和三個(gè)低電平控制信號(hào)，因此模擬開(kāi)關(guān)每次只有一路選通，其他三路斷開(kāi)，通過(guò)設(shè)置阻值不同的反饋電阻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大電路15、117的放大倍數(shù)及總增益的控制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，由正峰值檢波電路、基準(zhǔn)電壓電路、信號(hào)放大電路、電壓比較電路、至少兩級(jí)放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過(guò)信號(hào)放大電路后與比較端連接，基準(zhǔn)電壓電路與電壓比較電路另一比較端連接，電壓比較電路的輸出端與兩級(jí)放大電路的控制端連接，電壓比較電路產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)控制兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，所述正峰值檢波電路由采樣保持電路、比較器電路、或門電路以及低通濾波電路組成，可實(shí)現(xiàn)低頻周期性變化信號(hào)正峰值檢波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，所述電壓比較電路由至少2個(gè)電壓比較器和與門電路組成，可對(duì)四組量程范圍電壓進(jìn)行比較。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電法勘探的自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，所述放大及濾波電路均采用精密斬波自穩(wěn)零運(yùn)算放大器。
【文檔編號(hào)】H03G3/20GK203968071SQ201420365489
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】吳淼, 劉希高, 劉志民, 張金濤, 杜毅博, 周游, 呂一鳴, 李旭, 周劍鋒, 郝建生, 馬昭, 王學(xué)成, 王傳武 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)