Многоканальный аналого-цифровой преобразователь для сейсмических исследований с использованием дельта-модуляции

 

Использование: в качесвте многоканального аналого-цифрового преобразователя в исследовательской сейсмической аппаратуре. Сущность изобретения: аналого-цифровой преобразоатель содержит входной коммутатор каналов, устройство вычитания, стробируемый компаратор, однотипные аналоговые устройства выборки-хранения, число которых соответствует количеству каналов, дешифратор, генератор тактовых импульсов и триггер, причем каждое устройство выборки-хранения является коммутируемым интегратором дельта-модулятора для соответствующего канала входной аналоговой информации. 2 ил.

Изобретение относится к устройству для преобразования аналоговых сигналов, поступающих по нескольким сейсмическим каналам, в цифровой формат для дальнейшей обработки или регистрации и может быть использовано в качестве многоканального аналого-цифрового преобразователя в исследовательской сейсмической аппаратуре.

Известны многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), применяемые в сейсморегистрирующей аппаратуре [1] В основе таких преобразователей лежит принцип импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Многоканальность системы реализуется с помощью аналогового коммутатора каналов и временного разделения выборок каналов, подаваемых на вход АЦП. При этом должно выполняться условие теоремы Найквиста [2] F_дискр≥2F_верх, где F_дискр частота дискретизации одного канала; F_верх верхняя частота в спектре сигнала каждого из обрабатываемых каналов.

Известно также, при сейсмических исследованиях наблюдаются значительные шумы, возникающие как вследствие случайных процессов, протекающих в замке, так и в результате промышленной деятельности человека. В особенности сейсмический фон велик в индустриально развитых районах, где зачастую возникает необходимость проведения исследовательских работ, например зона Уральского региона. Отсюда вытекает проблема точности измерения полезных сигналов малой величины на фоне геосейсмических шумов. Решение этой проблемы в повышении разрешающей способности сейсморегистрирующей аппаратуры, в частности в повышении отношения сигнал/шум тракта аналого-цифрового преобразования.

В настоящее время способы обработки информация, позволяющие выделить полезный сигнал на фоне помехи при разностном уровне, достигающем 120 дБ. Однако добиться такого соотношения сигнал/шум в АЦП, использующем принцип ИКМ [1] практически трудно. Значительно проще задача решается при использовании в качестве кодирующего устройства дельта-модулятора [3] Наличие петли обратной связи и одной или нескольких интегрирующих ступеней в АЦП такого типа позволяет добиться отношения сигнал/шум более 100 дБ при тактовой частоте 60 кГц и квантовании сейсмических сигналов, ограниченных полосой 0-125 Гц. Однако при кодировании способом дельта-модуляции (ДМ) существует своя специфика. В системе с ДМ-преобразованием кодируется не абсолютное значение величины входного сигнала, как это происходит, например, при ИКМ, а приращение, то есть в каждый момент времени, соответствующий интервалу квантования, происходит оценка величины настоящей выборки по отношению к предыдущей; на основании сопоставления этих выборок на выходе дельта-модулятора формируется либо логической "0", либо логическая "1", причем логический "0" означает уменьшение величины входного сигнала на один заранее установленный шаг квантования Δ, а логическая "1" увеличение на один шаг квантования Δ. Описанная специфика кодирования при дельта-модуляции [3] не позволяет применить временное разделение каналов в том виде, как оно используется в [1] для преобразования нескольких сейсмических сигналов с помощью одного кодирующего узла, так как временное разделение многоканальной входной информации ведет к значительному расширению спектра полосы частот результирующего сигнала, подвергаемого ДМ-преобразованию. Практически дельта-модулятор будет находиться большую часть времени в состоянии перегрузки по крутизне. Проблему увеличения количества регистрируемых сейсмических каналов можно решить простым наращиванием числа дельта-модуляторов, однако такое решение нельзя считать оптимальным, поскольку оно ведет к неоправданному увеличению материальных и временных затрат.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого многоканального аналого-цифрового преобразователя для сейсмических исследований с использованием дельта-модуляции.

Аналого-цифровой преобразователь содержит входной коммутатор 1 каналов, устройство 2 вычитания, стробируемый компаратор 3, преобразователь 4 уровня, однотипные аналоговые устройства 5-7 выборки-хранения, число которых соответствует количеству каналов, дешифратор 8, генератор 9 тактовых импульсов и триггер 10.

К n входам коммутатора 1 каналов подключаются n выходов источников сейсмических сигналов. Выход коммутатора 1 каналов соединен с одним из входов устройства 2 вычитания, выход которого подключен к входу стробируемого компаратора 3, выход компаратора 3 соединен с входами триггера 10 и преобразователя 4 уровня, к выходу которого подключается n входов управляемых устройств 5-7 выборки-хранения, информационные выходы устройств 5-7 выборки-хранения соединены друг с другом и подключены к второму входу устройства 2 вычитания. Выход генератора 9 тактовых импульсов соединен с тактовыми входами компаратора 3, триггера 10 и с входом дешифратора 8, выходы которого подключены к управляющим входам коммутатора 1 каналов и устройств 5-7 выборки-хранения. Выходами устройства являются выходы триггера 10 и дешифратора 8.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу аналого-цифрового преобразователя, где 11 тактовая частота генератора 9 тактовых импульсов; 12 адрес коммутатора 1 каналов; 13-15 управляющие импульсы чтения из устройств 5-7 выборки-хранения; 16-17 управляющие импульсы записи в устройства 5-7 выборки-хранения.

Устройство работает следующим образом.

К моменту времени t₀ дельта-модулятор находится в установившемся режиме работы и на конденсаторах аналоговых устройства 5-7 выборки-хранения содержится информация о величине последних выборок n каналов. В момент t₀ дешифратор 8 устанавливает адрес первого канала и вырабатывает импульс чтения, по которым открывается первый канал коммутатора 1 каналов и подключается выход устройства 5 выборки-хранения. Но так как в конденсаторе устройства 5 выборки-хранения записана информация о величине предыдущей (последней перед моментом t₀) выборки первого канала, то на выходы устройства 2 вычитания поступят два сигнала, причем один будет соответствовать величине амплитуды входного напряжения U₁ для выборки в настоящий момент времени t₀, а другой будет соответствовать величине амплитуды предыдущей выборки U*₁. На выходе устройства 2 вычитания сформируется разностный сигнал е между U₁ и U*₁, который поступит на вход компаратора 3. В компараторе 3 произойдет оценка знака разностного сигнала е, и по переднему фронту F_такт генератора 9 тактовых импульсов эта оценка в виде ±1 появится на выходе компаратора 3 и запишется в триггер 10. Сигнал ±1 с выхода компаратора 3 подается на вход преобразователя 4 уровня, где происходит преобразование относительных уровней +1 и -1 в уровни напряжения соответственно +V и -V,м причем уровни напряжения ±V определяют установленный шаг квантования дельта-модулятора, то есть величину приращения. По переднему же фронту F_такт генератора 9 тактовых импульсов дешифратор 8 вырабатывает импульс записи, по которому происходит отключение выхода и подключение входа устройства 5 выборки-хранения. В результате этой операции конденсатор устройства 5 выборки-хранения подключится к выходу преобразователя 4 уровня и начнет либо заряжаться, либо разряжаться в зависимости от сигнала ±V на выходе преобразователя 4 уровня. В течение половины периода тактовой частоты F_такт генератора 9 тактовых импульсов уровень напряжения на конденсаторе устройства 5 выборки-хранения либо увеличится на один шаг квантования, либо уменьшится на один шаг квантования. В момент времени t₁ по заднему фронту F_такт дешифратор 8 устанавливает адрес второго канала коммутатора 1 каналов и вырабатывает второй импульс чтения, по которому отключается вход устройства 5 выборки-хранения и подключается выход устройства 6 выборки-хранения. Все описанные выше операции повторяются для второго канала. В этом случае происходит анализ сравнения напряжений U₂ и U*₂, а результат анализа фиксируется в виде добавления или уменьшения величины шага квантования на конденсаторе устройства 6 выборки-хранения второго канала. В момент времени t_n-1 осуществляется анализ сравнения напряжений U_n и U*_n, результат сравнения записывается в устройство 7 выборки-хранения n-го канала и цикл преобразования завершается. Все последующие циклы преобразования аналогичны описанному и начинаются с момента t₀ (фиг. 2).

В процессе преобразования по каждому переднему фронту F_такт происходит запись информации с выхода компаратора 3 в триггер 10, в результате чего на выходе триггера 10 формируется однозарядный бинарный код nY, который содержит преобразованную в цифровой вид информацию, поступившую от n источников сейсмического сигнала. Для определения принадлежности каждого бита выходного кода nY соответствующему сейсмическому каналу адрес, формируемый дешифратором 8 для управления коммутатором 1 каналов, подается также на выходе дельта-модулятора (на фиг. 1 "Выход N канала") в виде параллельного двоичного кода. Сформированные коды nY и N канала поступают далее либо на цифровой магнитофон, либо в линию передачи цифровой информации для дальнейшей обработки.

В схеме, изобpаженной на фиг. 1, не показан интегратор, однако функции интегрирования здесь выполняются устройствами 5-7 выборки-хранения, так как по существу каждое из этих устройств является коммутирующим интегратором. При реальном воплощении схемы в качестве устройства выборки-хранения можно применить, например, микросхему К 1100СК2, обладающую хорошими коммутационными параметрами, высоким быстродействием и малыми токами утечки.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИИ, содержащий последовательно соединенные устройство вычитания, компаратор, преобразователь уровня, а также триггер, вход которого соединен с выходом компаратора, и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам компаратора и триггера, отличающийся тем, что он дополнительно содержит входной коммутатор каналов, устройства выборки-хранения, количество которых соответствует числу каналов, и дешифратор, причем выход коммутатора каналов соединен с одним из входов устройства вычитания, к другому входу которого подключены соединенные друг с другом информационные выходы устройств выборки-хранения, входы которых также соединенные друг с другом, подключены к выходу преобразователя уровня, выходы дешифратора соединены с управляющими входами коммутатора каналов и устройств выборки-хранения, а вход дешифратора подключен к выходу генератора тактовых импульсов, при этом выход дешифратора, соединенный с управляющим входом коммутатора каналов, и выход триггера являются выходами аналого-цифрового преобразователя, входами которого являются информационные входы коммутатора каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2