楊 柳，徐 曲，唐 躍，柴修偉，李 智

1.湖北廣播電視大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.湖北省安全生產(chǎn)應(yīng)急救援中心，湖北 武漢 430070；

3.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074

在煤礦的地球物理勘探開發(fā)方面，槽波檢測是近些年來一種比較新型的探測方法。利用槽波信號在煤層的透射和反射獲取相應(yīng)的頻率、幅度和相位差等有用信息，通過上位機(jī)分析軟件，反演出煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和分布［1］。在運用“分布式”設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，以同步精度高為特點的分布式槽波地震儀在直觀效果和抗干擾能力及一致性方面表現(xiàn)俱佳［2］。但在槽波地震儀的研制中，同步精度和弱信號的檢測能力是影響儀器指標(biāo)的關(guān)鍵，同時儀器需兼顧低功耗和抗干擾能力。在以往的槽波地震儀設(shè)計中，為了滿足同步精度和弱信號的檢測指標(biāo)參數(shù)的要求，運用了比較復(fù)雜的多種電路。由此帶來了一些問題：由于元器件過多帶來的參數(shù)不一致，導(dǎo)致同步精度不易達(dá)到一致；弱信號放大級數(shù)較多，電路內(nèi)部易產(chǎn)生干擾信號；電路復(fù)雜，導(dǎo)致功率損耗加大；元器件的集成性不夠高，導(dǎo)致在復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下外部干擾信號的防范困難。因此，本文從電路的電源管理和信號調(diào)理入手，設(shè)計合理的電路方案，提高同步檢測精度和低功耗。

1 電源管理模塊

使用鎳氫電池組進(jìn)行供電的槽波地震儀非常便攜，但電池電壓需要轉(zhuǎn)換成不同的電壓值才能被后續(xù)電路器件所使用。本設(shè)計中選擇直流斬波器（DC-to-DC converter，DC/DC）電 源 芯 片DFA6-12S70輸出7 V電壓，再經(jīng)由低壓差穩(wěn)壓器（low-dropout regulator， LDO） TPS7A4701 和TPS7A9533分別得到+5 V和+3.3 V電壓；-5 V電壓則是先由LT1931A轉(zhuǎn)換成-7 V，再經(jīng)過TPS7A3301芯片轉(zhuǎn)換得到。

圖1 模擬電源轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Diagram of analog power conversion

DFA6-12S70是一種隔離型DC/DC電源芯片。DC/DC電源的主要特點是電源轉(zhuǎn)換效率高，通常在90%左右甚至更高。若直接使用線性電源將12 V轉(zhuǎn)換成5 V，則會因輸入輸出壓差過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率過低和芯片發(fā)熱等問題。隔離型DC/DC電源的優(yōu)點是將輸入端電源可能存在的較大環(huán)境噪聲與輸出隔離開。TPS7A4701、TPS7A3301和TPS7A9533是TI公司推出同一系列的線性電源芯片，3款芯片均具有1 A以上的帶負(fù)載能力，完全滿足本設(shè)計中硬件電路功率的要求。該系列電源芯片除了本身具有低噪聲特性外，同時具有很高的電源紋波抑制比（power supply rejection ratio，PSRR）。PSRR較大的電源芯片會將輸入端的電壓信號紋波噪聲在輸出電源上得到很大程度抑制，進(jìn)一步提高電源模塊的低噪聲要求和抗干擾能力［3］。

本文設(shè)計的電源模塊采用DC/DC電源和LDO電源組合的方式，既考慮了電源轉(zhuǎn)換效率，又提高了電路的抗干擾能力，為模擬硬件電路的正常工作提供了保障。

2 信號調(diào)理單元

2.1 程控放大電路

信號調(diào)理單元的第一級與檢波器電路相連接，為了使檢波器輸出的信號完全有效地被后續(xù)電路所接收，則信號調(diào)理單元的首級電路應(yīng)具有較高的輸入阻抗。系統(tǒng)選用的程控放大器是PGA281，電路如圖2所示。

圖2 程控放大器電路圖Fig.2 Programmable amplifier circuitry

PGA281是TI公司推出的一款高精度儀表放大器，輸入阻抗大于1 GΩ，具有數(shù)控增益和信號完整性測試功能。該放大器可通過自動歸零技術(shù)來提供偏移電壓，同時具有近零的偏移和很小的增益漂移等出色的性能，而且基本沒有1/f噪聲。在較寬的頻帶范圍內(nèi)，PGA281可以提供高達(dá)140 dB的共模抑制比，這使得該放大器具有較高的分辨率和測量精度［4］。芯片輸入阻抗大、功耗小，而且使用簡單，外圍電路少，非常適合用在系統(tǒng)的前端。

PGA281首先將四通道的檢波器信號進(jìn)行增益放大，然后傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）進(jìn)行同步采樣。PGA281在5個I/O口（G0、G1、G2、G3、G4）的控制下，除了可提供 2組、每組8檔的放大增益外，還能對輸入信號進(jìn)行3檔衰減。配合芯片軌到軌輸出和完全差分的設(shè)計，拓寬了系統(tǒng)的后續(xù)使用范圍，同時為儀器的升級提供硬件平臺支撐。本設(shè)計中選用1、2、4、8、16、32和64的增益倍數(shù)，在硬件系統(tǒng)上直接將“G4”腳接地，再通過控制I/O口來選擇增益。系統(tǒng)上電初始化后，儀表放大器PGA281增益引腳賦值為“1010”，將增益設(shè)置為最大，之后根據(jù)需要可以在參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)中再進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 低通濾波器電路

煤礦巷道是一種半封閉環(huán)境，因各種施工機(jī)械的存在而有較強(qiáng)的干擾信號。對于這些信號，作為電氣設(shè)備共同終端的大地也是干擾信號的進(jìn)入源［5］。而就槽波地震信號而言，其有用頻率范圍為10～4 000 Hz，可以采用濾波器濾除大于4 000 Hz的頻帶外干擾信號。本文設(shè)計的低通濾波器電路為典型的二階巴特沃斯低通濾波器［6］，電路如圖3所示，其電路傳遞函數(shù)為：

其中品質(zhì)因數(shù)Q為0.707，截止頻率ωc約等于27 kHz。就這個系統(tǒng)的濾波器終端頻率而言，在其為單電源供電時約13 kHz，僅為雙電源供電時的1/2。電路采用芯片ADA4528，其最大失調(diào)電壓為2.5 μV，最大失調(diào)電壓溫漂為0.015 μV/℃。1 kHz信號增益為100時的噪聲密度僅為5.6 nV。最小共模抑制比為135 dB，具有軌到軌輸出功能，完全滿足儀器的性能需要［7］。

圖3 低通濾波器電路圖Fig.3 Low-pass filter circuitry

3 測試實驗分析

3.1 電源噪聲測試

系統(tǒng)電源噪聲水平也是衡量模擬電路的一項重要指標(biāo)，測量系統(tǒng)電源在工作時的噪聲，如圖4所示。由圖4可以看出，系統(tǒng)各電源的平均噪聲不超過-5～+5 mV。

3.2 低通濾波電路測試

測試時，利用CA1642-20數(shù)字合成信號發(fā)生器輸出10 Hz、峰峰值為2.5 V、帶有2.5 V直流偏置的正弦信號。信號經(jīng)過增益為1的程控放大器后直接進(jìn)入低通濾波器，再利用GDS-1102A數(shù)字存儲示波器測量低通濾波器的輸出信號電壓峰峰值和頻率［8］。

由圖5可以看出，低通濾波器的截止頻率約為12.7 kHz，而且在小于4 kHz的頻帶范圍內(nèi)，信號基本沒有衰減或放大的變化，符合設(shè)計要求。

3.3 程控放大模塊精度測試

通過分壓器分壓產(chǎn)生-2.5～2.5 V的連續(xù)可調(diào)電壓，將該電壓同時接入四路差分放大電路，經(jīng)過放大和濾波之后再分別進(jìn)入ADC器件進(jìn)行同步采樣。

圖4 系統(tǒng)各電源噪聲圖像：（a）7 V，（b）-7 V，（c）5 V，（d）3.3 VFig.4 Noise images of system powers：（a）7 V，（b）-7 V，（c）5 V，（d）3.3 V

對ADC連續(xù)采集100次所得電壓求平均值，作為單次采集的結(jié)果。同時利用6位半數(shù)字萬用表測出ADC輸入端的電壓值，并將輸入電壓做擬合曲線，再根據(jù)擬合公式計算出擬合電壓和輸出電壓的差，測試數(shù)據(jù)見表 1［9］。

由表1的數(shù)據(jù)可得，擬合電壓和輸出電壓無明顯的差別，互差部分平均偏差為0.8 mV，程控單元部分電路測量精度在設(shè)計指標(biāo)要求之內(nèi)［10］。

圖5 低通濾波器波特圖Fig.5 Low-pass filter Bode curves

表1 程控放大單元測試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data of programmable amplification V

3.4 通道一致性測試

程控放大器增益設(shè)置為64，ADC的采樣率頻設(shè)置為12 kHz，信號發(fā)生器產(chǎn)生2 mV、240 Hz的正弦波。將系統(tǒng)的輸入端同極性短接，然后再分別與信號發(fā)生器的輸出端相連，用采集站系統(tǒng)采集信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，利用上位機(jī)軟件（中國地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的專用軟件）進(jìn)行顯示［11］。

由圖6可以看出，相同輸入信號情況下，采集站系統(tǒng)的4個通道的輸出波形基本一致，本文設(shè)計地震儀的模擬電路的通道一致性良好。

圖6 系統(tǒng)通道一致性測試Fig.6 Channel conformance testing of system

3.5 野外震源實地測試

為驗證地震儀整體性能及系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，需要結(jié)合震源進(jìn)行實驗?？紤]到井下巷道的特殊工作環(huán)境，采用人工錘擊的方法，在地表淺層地震試驗場進(jìn)行模擬實驗［12］。

按照地震勘探的方式放置檢波器，順序依次為通道 1、通道 2、通道 4 和通道 3［13］。采用小錘激發(fā)地震，地震波的強(qiáng)度較小，因此，檢波器的間距較小，約為40 cm。激發(fā)后，采集站采集地震波數(shù)據(jù)［14］。采集完成后，用上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)并配合上位機(jī)軟件（中國地質(zhì)大學(xué)開發(fā)的專用軟件）繪制波形，如圖7所示。圖7中4個通道的波形數(shù)據(jù)符合地震波的傳播規(guī)律，槽波地震儀符合設(shè)計要求［15］。

圖7 四通道地震波同步檢測波形Fig.7 Synchronous detection of waveforms of seismic wave

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的分布式槽波地震儀模擬電路主要包括電源管理模塊和信號調(diào)理單元兩部分。電源管理模塊采用DC/DC電源和LDO線性電源組合，提高了電路抗干擾性能，滿足地震儀低功耗要求；信號調(diào)理單元采用程控放大器串接二階有源低通濾波器方式。測試和實驗表明，模擬電路具有信號檢測精度高、同步性好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點。