Накопитель сейсмических сигналов с использованием дельта- модуляции

 

Изобретение относится к области геофизического приборостроения и может быть использовано в качестве накопителя сейсмических сигналов в сейсмостанциях, предназначенных для работ на площадях с повышенным уровнем сейсмических помех, например, в местах, непосредственно примыкающих к промышленным объектам, при разведочных и инженерных изысканиях. Техническим результатом является уменьшение уровня регулярных аппаратурных помех и снижение стоимости накопителя. Этот результат достигается за счет введения в накопитель дельта-модулятора и интегратора, используемых соответственно в качестве аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области геофизического приборостроения и может быть использовано в качестве накопителя сейсмических сигналов в сейсмостанциях, предназначенных для работ на площадях с повышенным уровнем сейсмических помех, например в местах, непосредственно прилегающих к промышленным объектам, при разведочных и инженерных изысканиях. Накопитель может работать с любым источником сейсмического возбуждения импульсного типа, вплоть до маломощного механического источника "падающий груз".

Известны накопители сейсмических сигналов с цифровым суммированием [1,3] , принцип работы которых заключается в следующем. Входной сейсмический сигнал очередного накопления преобразуется в n-разрядный цифровой код в n-разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и поступает в m-разрядный цифровой сумматор (или арифметическое устройство), где повыборочно суммируется с результатом предыдущего накопления, хранящимся в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Результат суммирования вновь записывается в ОЗУ и хранится до следующего накопления. К недостаткам устройств данного типа следует отнести наличие в схеме большого числа цифровых управляющих и обрабатывающих элементов (n-разрядный АЦП, m-разрядные сумматор и ОЗУ, а также блок, управляющий работой сумматора, АЦП и ОЗУ), что приводит к формированию регулярных аппаратурных (коммутационных) помех относительно большой интенсивности, как правило, проникающих по цепям питания в усилительные каскады сейсморегистрирующей аппаратуры. Помехи данного типа накапливаются наряду с полезным сейсмическим сигналом и приводят к искажению информации на сейсмограмме.

Ближайшим аналогом-прототипом предлагаемого является накопитель сейсмических сигналов с аналоговым суммированием [3]. Как и накопитель с цифровым суммированием, данное устройство содержит n-разрядные АЦП, ОЗУ и блок управления, кроме того, в устройстве используется n-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и аналоговый сумматор. Накопление полезного сигнала в устройстве происходит в результате суммирования входного сигнала и сигнала, восстановленного в ЦАП из цифровых кодов, хранящихся в ОЗУ с предыдущего накопления. Наличие в схеме накопителя n-разрядных АЦП и ЦАП, так же как в схеме с цифровым суммированием, обуславливает формирование существенных коммутационных, т. е. регулярных аппаратурных помех, которые накапливаются пропорционально полезному сигналу. Кроме того, для обеспечения требуемого динамического диапазона накопителя с аналоговым суммированием, например, не хуже динамического диапазона накопителя с цифровым суммированием, необходимо число n разрядов АЦП и ЦАП увеличить до m (m - число разрядов цифрового сумматора в накопителе с цифровым суммированием), т.е. расширить динамический диапазон преобразования АЦП и ЦАП. Это в свою очередь ведет к появлению дополнительных погрешностей АЦП и ЦАП, которые растут пропорционально числу накоплений, а также к удорожанию устройства.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение уровня регулярных аппаратурных помех и снижение стоимости накопителя. Настоящая цель достигается за счет введения в устройство дельта-модулятора и интегратора, используемых соответственно в качестве АЦП и ЦАП.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого накопителя. Устройство состоит из аналогового сумматора 1, один из входов которого является входом накопителя, ОЗУ 3, выход которого является цифровым выходом устройства, генератора 5 тактовой частоты, устройства 6 управления, один из входов которого является стартовым, второй вход - тактовый - подключен к выходу генератора 5 тактовой частоты, а выход соединен с управляющим входом ОЗУ 3, а также дополнительно введенных дельта-модулятора 2 и интегратора 4, являющихся соответственно АЦП и ЦАП, причем выход сумматора 1 соединен с информационным входом дельта-модулятора 2, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 5 тактовой частоты, а выход соединен с информационным входом ОЗУ 3, выход ОЗУ 3 подключен ко входу интегратора 4, выход которого соединен со вторым входом сумматора 1.

Накопитель работает следующим образом. Перед началом накопления во все ячейки ОЗУ 3 записывается цифровой сигнал, эквивалентный нулевому входному аналоговому сигналу (U_вх.= O). С приходом стартового импульса U_старт. устройство 6 управления формирует управляющие импульсы, под воздействием которых происходит считывание цифровой информации Y из ОЗУ 3, преобразование ее в интеграторе 4 в аналоговый вид U^* и суммирование в сумматоре 1 со входным сигналом U_вх.. Поскольку перед началом суммирования в ОЗУ 3 был записан цифровой эквивалент нулевого аналогового сигнала, то результирующая сумма первого накопления будет равна входному сигналу без изменения (UΣ = U_вх.). Сигнал UΣ преобразуется в дельта-модуляторе 2 в однобитовую цифровую последовательность Y и запишется в ячейки ОЗУ 3, где будет храниться до следующего накопления. С очередным приходом U_старт. процедура накопления повторится, но U_вх. будет суммироваться уже с результатом суммы от предыдущего накопления и т.д.

По сути своей дельта-модулятор 2 (ДМ) является однобитовым аналого-цифровым преобразователем, работающим на частоте сверхдискретизации, превышающей частоту Найквиста в сотни раз. Однако такая сверхдискретизация с лихвой компенсируется разрядностью преобразователя (всего один бит) и его практически идеальной линейностью во всем диапазоне преобразования, который может достигать 100 дБ [2], что вполне достаточно для аналогового суммирования. Поскольку в схему ДМ [2] входит всего одно переключающее устройство (компаратор), уровень аппаратурных коммутационных помех, являющихся, как отмечалось выше, регулярными для накопителя, будет значительно ниже, чем в n-разрядных АЦП. Для восстановления исходного аналогового сигнала из цифровой ДМ-последовательности достаточно использовать простой интегратор 4, при этом восстановление происходит с большей точностью по сравнению с n-разрядным ЦАП, где погрешность цифроаналогового преобразования выше за счет использования большого числа прецизионных и ключевых элементов. Наконец, использование дельта-модулятора 2 и интегратора 4 в накопителе удешевляет последний из-за простоты аппаратурной реализации данных узлов.

Источники информации 1. Портативная трехканальная сейсмостанция-накопитень СНЦ-3. ТО и инструкция по эксплуатации, НПО "Рудгеофизика", 1981.

2. Патент США N 4616349, кл. G 01 V 1/24, опубл. 1986.

3. Палагин В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин.- М.: Недра, 1989, с. 9-14,70-73. Прототип.

Формула изобретения

Накопитель сейсмических сигналов с использованием дельта-модуляции, содержащий аналоговый сумматор, вход которого является входом накопителя, оперативное запоминающее устройство, выход которого является цифровым выходом накопителя, генератор тактовой частоты и устройство управления, один из входов которого является стартовым, второй вход соединен с выходом генератора тактовой частоты, а выход подключен к управляющему входу оперативного запоминающего устройства, отличающийся тем, что в него введены дельта-модулятор и интегратор, использующиеся соответственно в качестве аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, причем информационный вход дельта-модулятора соединен с выходом сумматора, тактовый вход - с выходом генератора тактовой частоты, а выход подключен к информационному входу оперативного запоминающего устройства, выход которого соединен с входом интегратора, выход интегратора подключен к второму входу сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1