一種用于電法勘探的自動增益控制電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于電法勘探的自動增益控制電路，其特征在于，由正峰值檢波電路、基準(zhǔn)電壓電路、信號放大電路、電壓比較電路、至少兩級放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對輸入信號進行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過信號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)字控制信號通過控制兩級放大電路的放大倍數(shù)實現(xiàn)自動增益控制。利用本實用新型，可實現(xiàn)對電法勘探信號的高效、可靠的自動增益控制。
【專利說明】—種用于電法勘探的自動增益控制電路

【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處理的自動增益控制電路。

【背景技術(shù)】
[0002]在電法勘探中，電法勘探信號接收機采集的電壓信號具有動態(tài)范圍大的特點，通常情況下，電壓信號幅值的動態(tài)范圍在±lmV?±10V。為了實現(xiàn)對各種信號進行有效放大，接收機應(yīng)具有自動增益控制功能。
[0003]在接收機放大倍數(shù)控制方面，目前主要有三種方法。第一種方法是用戶設(shè)置各級放大電路的放大倍數(shù)。采用這種方法的有美國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。這要求用戶對干擾的大小、頻率范圍和信號的大小有詳細(xì)的了解，并且熟悉儀器內(nèi)部的功能。通常保險的做法是將第一級放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置到最小，但是這將導(dǎo)致接收機的等效輸入噪音增大，使信號觀測的精度下降，滿足不了電法勘探的要求。第二種方法是接收機自動設(shè)置放大倍數(shù)。采用這種方法的接收機有美國ZONGE公司生產(chǎn)的GDP32-1I，具體方法是先將第二級放大電路后面跟隨的抗混疊濾波電路屏蔽，然后測量信號大小，調(diào)整第二級放大電路放大倍數(shù)。再將抗混疊濾波啟動，調(diào)整第三級放大電路放大倍數(shù)。將第一級放大電路放大倍數(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。該方法的缺點是無法知道干擾的大小，第一級設(shè)置為低增益時可能導(dǎo)致無法對信號實現(xiàn)最優(yōu)放大，高增益時可能導(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CN101009039A)，主要特點是將各級放大電路放大倍數(shù)設(shè)置模式分為無干擾、弱干擾、中等干擾、強干擾四種模式，針對不同的噪聲環(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，實現(xiàn)了對接收機各級放大電路的放大倍數(shù)的正確有效設(shè)置，然而存在的問題是控制算法相對復(fù)雜，降低了探測效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電法勘探接收機的上述缺陷，提供一種抗干擾能力強、動態(tài)范圍大、轉(zhuǎn)換速度快的自動增益控制電路。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):由正峰值檢波電路、基準(zhǔn)電壓電路、信號放大電路、電壓比較電路、至少兩級放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對輸入信號進行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過信號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)字控制信號通過控制兩級放大電路的放大倍數(shù)實現(xiàn)自動增益控制。利用本發(fā)明，可實現(xiàn)對電法勘探信號的高效、可靠的自動增益控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[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)極化測量中激勵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)極化測量中一種雙頻激發(fā)極化信號波形示意圖；
[0009]圖2 (C)為一種數(shù)字脈沖控制信號波形示意圖；
[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。

【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。本實施例不得用于解釋對本發(fā)明保護范圍的限制。
[0016]在電法勘探中，激發(fā)極化法需要通過兩個供電電極向地下發(fā)送激勵電流，常用的激勵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(如圖2(b)),由于該電壓信號動態(tài)范圍較大可達±lmV?±10V，而之前的方法都不能達到理想效果。以該探測方法為例，對本發(fā)明的原理及電路進行進一步說明。
[0017]參照圖1。本實施例包括正峰值檢波電路1，基準(zhǔn)電壓電路2，信號放大電路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。被測激電電壓信號經(jīng)過前級信號處理后，進入到本發(fā)明本實施例自動增益控制電路。輸入信號經(jīng)過正峰值檢波電路I后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過信號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)字控制信號實現(xiàn)對放大電路15及放大電路117放大倍數(shù)的控制。
[0018]本實施例將±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，通過信號放大電路3將O?±100mV的激電電壓信號放大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]參照圖2、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，采樣保持電路對輸入信號VPPIN進行采樣，輸出信號VPPOUT與輸入信號VPPIN的峰值通過比較器電路進行比較，當(dāng)VPPIN的峰值高于VPPOUT時，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，COLOUT被置成低電平，VPPOUT保持不變，從而實現(xiàn)信號正峰值的檢波。因此，當(dāng)周期信號峰值出現(xiàn)下降時該檢波電路無法實現(xiàn)檢測，即只能對遞增信號峰值進行檢波，而無法對遞減信號峰值進行檢波。為了解決這一難題，本發(fā)明設(shè)計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PULSE0UT(如圖2(c))連接，PULSE0UT表達式如公式(I)所示:
[0020]
[VhηΤ + τ]<?<ηΤ + τ2
U = \ H4⑴

[VLr _ ηΤ + rli'Xt > πΤ + τ2
[0021]式中:
[0022]T表示脈沖信號的周期，即輸入低頻信號的周期；
[0023]τ = τ 1-τ 2表示控制信號的脈沖寬度,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PULSE0UT由單片機控制產(chǎn)生，相位與雙頻合成激勵電流(如圖2(a)) —致。當(dāng)激電電壓信號(如圖2(b))峰值增大時，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VPPOUT變?yōu)樵龃蠛蟮姆逯?；?dāng)激電電壓信號峰值減小時，輸出端COLOUT被置成低電平，數(shù)字脈沖控制信號PULSE0UT產(chǎn)生高電平脈沖時，邏輯控制端LOGIC也被置成高電平，輸出信號VPPOUT變?yōu)闇p小后的峰值。從而實現(xiàn)了動態(tài)的正峰值檢波。
[0026]參照圖4。基準(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 個基準(zhǔn)電壓值，即 REi7O = 0V, REFl = 10mV, REF2 = IV，REF3 = 10V?；鶞?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]為了提高比較器對微弱信號的分辨率，在對微弱信號進行比較之前，利用信號放大電路3對微弱直流信號進行放大。信號放大電路3的作用是將正峰值檢波電路I產(chǎn)生的O?10mV電壓信號進行有效放大，提高電壓比較電路電壓比較精度。在本實施例中，放大倍數(shù)設(shè)為10倍，信號放大電路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]參照圖5。電壓比較電路4是實現(xiàn)自動增益控制的關(guān)鍵，作用是將被測信號峰值VPPOUT或放大后的信號峰值VPPAMP與多組門限電壓比較，比較后產(chǎn)生的數(shù)字控制信號，通過控制放大電路15及放大電路117實現(xiàn)自動增益控制。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]參照圖6。兩級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)字控制信號控制作用下，實現(xiàn)對激電電壓信號的有效放大。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、多路模擬開關(guān)芯片MAX313構(gòu)成的模擬開關(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ΜΑΧ313構(gòu)成的模擬開關(guān)電路以及反饋電阻實現(xiàn)，模擬開關(guān)電路的通斷由電壓比較電路4產(chǎn)生的數(shù)字控制信號控制實現(xiàn)，當(dāng)數(shù)字控制信號為高電平時，模擬開關(guān)選通，當(dāng)數(shù)字控制信號為低電平時，模擬開關(guān)斷開。根據(jù)表I可知，電壓比較電路4經(jīng)過對輸入信號正峰值的比較判斷后，每次只能輸出一個高電平和三個低電平控制信號，因此模擬開關(guān)每次只有一路選通，其他三路斷開，通過設(shè)置阻值不同的反饋電阻，實現(xiàn)了對放大電路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、信號放大電路、電壓比較電路、至少兩級放大電路及濾波電路組成；所述正峰值檢波電路對輸入信號進行檢波后分為兩路，第一路直接與電壓比較電路比較端連接，第二路通過信號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)字控制信號通過控制兩級放大電路的放大倍數(shù)實現(xiàn)自動增益控制。
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，可實現(xiàn)低頻周期性變化信號正峰值檢波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電法勘探的自動增益控制電路，其特征在于，所述電壓比較電路由至少2個電壓比較器和與門電路組成，可對四組量程范圍電壓進行比較。
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)零運算放大器。
【文檔編號】H03G3/20GK203968071SQ201420365489
【公開日】2014年11月26日 申請日期: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 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)