数据采集系统中子样脉冲顶部斜率变化预测技术

在石油地震勘探仪器的瞬时浮点放大器（以下简称主放大器）中，瞬时浮点放大器对采集到的每个子样脉冲都能选择一个最佳增益值,从而把幅度相差悬殊的地震信号放大至最佳值(2V~8V)，由于过零点子样脉冲采自信号幅度为零附近，因此子样顶部有较大的斜率,当主放大器最终选定增益值时，子样幅度却在不断增加，如何预测子样幅度的变化趋势,使主放大器准确选择放大倍数,就是本文要讨论的问题。

　　地震勘探仪器基于回声探测原理。在地表发出机械振动，然后接受来自地下各个界面的反射信号，以机械振动在地层介质中的传播速度及其旅行时间来确定地下反射界面的几何形态。地震勘探系统的功能是将地表机械振动产生的地震反射信号以二进制数的形式记录在磁带上。主要工作过程是：地震检波器接受到的地震信号经前置放大器放大、滤波后，送多路转换开关对各道地震信号依次进行采样；将采样后的子样脉冲逐一送到主放大器，主放大器对每个子样脉冲都能选择一个最佳增益，从而把幅度相差悬殊的地震信号放大至最佳值(2V~8V)，选定的放大倍数以三位二进数码输出，送记录格式编排器。经放大后的子样脉冲送第二采样保持器，将子样在时间上展宽（幅度不变），以满足 模数转换器(ADC)转换时间的需求；展宽后的子样脉冲经ADC转换成为二进制数。最后由记录格式编排器将放大倍数和转换结果按照规定的记录格式编排好，并记录在磁带上。

　　
　　瞬时浮点放大器工作原理简述

　　主放大器是一种增益变化速度极快的高精度放大器，见图1。它有7个基本放大级（A6～A12），每个基本放大级的增益是22（12dB）。当子样脉冲进入放大器后,首先被28增益放大,然后放大器在该子样脉冲持续的短暂时间内三次调制增益，使这个脉冲在第三次调整后的增益放大下,输出幅度落在2V~8V之间。

　　过零点子样脉冲及其影响

　　过零点子样是指子样来自信号幅度为零的附近，子样顶部有较大的斜率。如果放大器没有子样变化斜率预测电路（即微分补偿电路）时，斜顶子样会造成什么样的影响呢？假设放大器要放大的是图2示出的斜顶子样。对该子样放大的过程见图3。

　　参见图3，在t0时刻主放对Vi首先采用28放大，设放大后的幅度有V0＝28Vi<2V，比较器必然给出的结果是11，要求主放增益增加，这是第一次增益调整。t1时刻，主放对Vi采用212放大，设放大后的幅度有V0＝212Vi>10V，比较结果是00，主放增益减少，这是第二次增益调整。t2时刻，设V0＝210Vi，而2V<210Vi<10V，比较结果为01，于是t3时刻以后按210Vi输出送到二采保持电路。

　　由于子样幅度具有较大斜率，因此当第三次增益调整完毕，确定为210放大倍数后，子样幅度仍在不断增加，完全有可能出现如图3所示的情形，输出大于8V，甚至超过10V。然而系统的ADC所能表示的最大输出电压为8.192V，这时各位尾数已全为"1"。如果放大器输出的子样幅度大于8.192V，那么势必造成ADC的各位输出都为"1"，仍不能表示该采样的真实幅度，这将导致地震勘探采集精度受到影响。

　　微分补偿电路的作用及原理

　　为了克服上述问题，于是在比较器中设置了微分补偿电路A30，用于预测子样电压的变化趋势，与比较器A14、A15相配合，使放大器对正在处理的子样合理选择增益。带微分补偿电路A30的比较器见图4，A30由电容C、电阻R1、R2构成，两个二极管为限幅二极管。

　　微分补偿电路的作用见图5，显然，无微分补偿电路时，在t1时刻增益调整方向是根据a点的幅度值确定的。而加有微分补偿电路后，t1时刻增益调整方向是依据b点的幅度值确定的。也就是说，比较级由于微分补偿电路的作用，在输入信号的t1时刻，便预测到了输入信号t2时刻的幅度值。