第三章数据采集系统基本原理.docx

第三章数据采集系统基本原理 第一节数据采集系统基本组成 1?传感器：将被测的物理量转换成电压信号送至仪器输入电路。 2?仪器输入电路：传感器与仪器之间的匹配电路，它作为传感器的输出负载 必须具有足够高的输入阻抗，同时它的输出信号作为仪器的输入信号， 要求它具 有非常小的输出阻抗。仪器输入电路对共模干扰信号具有很强的抑制能力，即具 有很高的共轭抑制比。 传仪器输低噪声前电模拟感■■器入电路 传 仪器输 低噪声前 电模拟 感 ■ ■ 器 入电路 遗放大器 滤波器 传 仪器输 低噪声前 ■ 电模拟 器 ■ 入电路 ■ 置放人器 ■ 滤液器 多路采样开关 模数转换器 数据记录系统 图3-1数据采集系统的基本组成框图 3?低噪声前置放大器：对检测到的微弱电信号给以固定增益的放大，由于该 放大器位于仪器一系列电路的前端，它的噪声是仪器整体系统噪声的主要提供 者，因此任何电子仪器测量系统的前置放大器都必须是低噪声电路。 4?电模拟滤波器 低切滤波器：用来去除低频干扰信号，在地震勘探工作中低频干扰信号主 要是指面波信号。 高切滤波器：它用来去除高频干扰，在数字信息采集系统中，一般都设置 采样开关，这样高切滤波器主要用来去除信号中不满足采样定理的假频成分， 假 频信号的频率是信号中比折叠频率还咼的咼频成分。 陷波器：它用来除去50Hz的工业频率干扰。 5?多路采样开关：在一个采样周期之内，对全部各路信号按先后顺序分别采样一次，将多路系统转换为单路系统，实现多路合一；同时将连续的模拟信号转 换为离散的模拟子样脉冲。 6?模数转换器：则将每一个子样脉冲电压转换为二进制代码。 7?数据记录系统：将二进制代码按照国际专业技术组织的规定， 进行编排和 编码，编排主要是将一定长度的二进制数据编排成便于计算机数据处理的字节形 式；编码则是为了数据写读的方便，针对数码“ T和“0”对磁带剩余磁通的变 化方式所作出的规定。 第二节输入电路和低噪声前置放大器 一、差动放大器输入电路 Ai和A2的输出分别为Vi和V2，它们可表示为 Vi-V2^-i +放大器A3具备输入平衡条件，它的输出 Vo表示为 Vi-V2^-i + 闭环增益为： -vf+2RJR： Rf Rf 2Rfo 学 Vii -Vi2 Rf 由于该电路具有很高的输入阻抗和共模抑制比， 许多数字地震仪的输入电路 都采用了该形式的电路。 rf rf 二、低噪声前置放大器 1?对前置放大器的噪声要求 在没有信号输入（放大器入口接地）的情况下，由于内部噪声源的存在，放 大器仍有输出信号，该信号即为放大器的噪声。把放大器电路输出端测得的噪声 大器仍有输出信号，该信号即为放大器的噪声。把放大器电路输出端测得的噪声 Vn「、(E1 K K2 K2 ( E2 K2 K3 ( 2K 等效输入噪声为: Ein 二K Ein 二 K! K2 K3 Ei2 E3 针对集中式地震数据采集系统，前置放大器、滤波器、多路转换开关、浮点 放大器（主放）和模数转换器为五个互不相关的噪声源，等效输入噪声为: EinEi2 Ein Ei 2扫喂能 等效输入噪声反应了仪器实际所能记录的最小信号 的幅度Vimin （即 Vimi^Ein）o输入信号一旦小于等效输入噪声，输入信号将被仪器噪声所淹没（即 信噪比小于1）。从上述分析可以看出，系统整体等效输入噪声主要由前置放大 器提供，同时较大的前置放大器的增益可以有效减少后继电路噪声的影响。 1:11:11:1前放主放 1:1 1:1 1:1 前放 主放 2?双端输入单端输出型前置放大器电路 两个反向器的输出之间的电位差为 V/, Vi/是以Q为主的第一级负反馈放大 器的输出，放大倍数为： 百=2?」= 百=2?」=1空0 同时，v/又是第二级放大器的输入信号，在输入平衡条件下，第二级放大器的 增益为： 3飞，放大器总的增益为: 在下面的第二个电路实例中，放大器的闭环增益为: 、 低切滤波器 1、二阶有源低切滤波器 低切滤波器的作用是消除面波为主的低频干扰，根据节点电位法: G C2 S 占 V。* ms MGS R1 1 R C2S 解上方程组可得以拉氏变换形式表示的系统传递函数为 S2 GC2 Ri R2 1 C1C2 R2 s2 — s ■o .GC2 Ri R2 C1C2Ri R2 Q C1C2R2 匕=Cl C Q 二 Rl(Ci C2) 1 1 S2s2 甘S 该滤波器的频率响应及其幅频特性为 Q2 令 f0=12HZ , R,二二 R ;由上式推得：R=13.271，有 Q=0.5 令 f°=12HZ R^kR,，Q=1/、、2，可得：k=2, R=9.38 门 令 f0=12HZ R2=kR，Q=1,求出：k=4, =6.680 这样便得到在相同截止频率，不同品质因数下的幅频