一种多路可动态配置信号处理系统的制作方法

专利名称：一种多路可动态配置信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程地震信号数据采集处理领域，特别涉及一种高精度、可动态配置 的多路信号处理系统。
背景技术：
信号处理是各种数据采集系统中至关重要的一个环节。针对工程地震信号采集领 域主要是通过合理的信号调理措施拾取有效的地震信号，以便后期的处理和分析，其主要 体现在对原始地震信号的放大和滤波。在工程地震勘探中，通常情况下使用的震源为人工震源，其产生的地震信号强度 较弱，而经过地下各种介质的传播和衰减后使得地震信号变的更为微弱，为了能使后续的 采集单元及时响应信号采集，有必要对地震信号进行前级放大，当然实际野外地质条件下， 不同的地质构造及环境，所产生地震信号的强度也有很大不同，为使得地震信号能在较为 合适的强度下被系统采集，既不会超过系统的动态范围，也不会因地震信号强度较弱而淹 没在干扰信号中从而导致采集单元无法采集到有效信号，这些特征均要求所采用的放大器 的增益值是可以实现动态调整的；同样由于实际的野外数据采集当中，各种地质条件及环境下所产生的信号频率干 扰不同，而且针对不同的地震勘探方法，如反射波法、折射波法、面波法等各自所需要的有 效波频率范围也不尽相同，因此所需要滤除的干扰波频率也大不相同，由此要求所设计的 低通、高通滤波器截止频率是可以根据实际情况进行动态配置的。同时在工程地震信号采集系统中必须考虑的一种干扰信号是50Hz工业频率的干 扰，比较有效的方法是采用陷波器，而实际应用当中有效地震信号中含有50Hz频率的信 号，所以需采用必要的措施以选择性的使用陷波器。针对地震数据采集系统的信号处理部分比较传统的方式主要是采用各种组合电 路来实现，如可调放大器部分主要是利用电阻网络及普通放大器构成浮点放大器，其中的 滤波器部分同样采用电阻电容网络来完成，这些实现方法通常很难满足所要求的功能，处 理的效果也较差，极易破坏原始信号的保真性，同时也使得外围电路的控制较为复杂，且需 要占用大量控制器的端口资源；目前针对可调滤波器的设计比较先进的是采用数字滤波 器，即在不考虑干扰的情况下采集信号，再根据实际要求进行相应的数字滤波，这种方式控 制简便，但由于采集前未对原始信号进行处理，使得干扰信号难以得到压制，而且由于所采 集的信号量比较大，尤其是在多路并行处理时，数字滤波器的计算和处理耗时较长，且容易 破坏信号的完整性。因此一种控制简便、抗干扰能力强、实时处理能力好的可动态配置的模 拟信号处理系统成为解决这些问题的关键手段。

发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种多路可动态配置信号处理系统，该系统中各处 理单元可动态调制，并能保证工程地震信号的完整性。
为了达到上述效果，本发明采用如下技术方案一种多路可动态配置信号处理系 统，该处理系统由可动态配置信号处理模块和主控模块构成；可动态配置信号处理模块由四路可编程增益放大电路、信号选择分配电路一、可 调截止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器、信号选择分配电路二组成，原 始信号首先经四路可编程增益放大电路放大，再由信号选择分配电路一分配为流入可调截 止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器及直通信号四种流向的信号，流向可 调截止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器的三路信号经处理后与直通信 号再次流入信号选择分配电路二进行选择分配；主控模块用于对系统中各处理单元可编程模拟芯片的驱动控制，并接受来自外部 的各种控制指令以实时调整各处理单元的配置参数。其中，所述信号选择分配电路一、二均由四选一数据选择器实现功能；所述陷波器 的功能是滤除50HZ工业频率；而所述主控制器为单片机、ARM、FPGA、DSP中的任意一种；最 后所述可动态配置信号处理模块中各处理单元均采用全模拟可编程芯片；所述可动态配置 信号处理模块中各处理通道之间是相互独立。本发明的工作原理是原始信号首先通过指定增益值的放大器进行无失真放大， 进而经过输入输出反向接入的四选一数据选择器将信号分配为流入低通滤波器、高通滤波 器、陷波器及直通信号四种流向的信号，各分支信号流入相应处理单元在指定配置条件下 进行滤波处理，经过上述电路组合调理后的三种信号及未加处理的直通信号再次流入另外 一组四选一数据选择器进行选择性提取，最终完成信号处理。其中，可调截止频率低通及高 通滤波器在运行过程中可以结合外部条件对设置的截止频率进行调整，整个处理系统中各 部分参数的调整均由主控模块控制完成。综合上述处理后可以将信号调理为仅经过低通滤 波器、同时经过低通滤波器及陷波器、同时经过三种滤波器、仅经过陷波器、同时经过陷波 器及高通滤波器、仅经过高通滤波器及不经任何滤波器的直通信号，即七种处理模式下的 高保真信号。本发明的有益效果是本发明采用全模拟可编程芯片组合成可动态配置的信号处 理系统，处理单元中放大器增益值、滤波器截止频率均可以动态调整，并结合相应的信号选 择分配网络及主控模块实现信号的多种处理模式可选，整个系统具有控制简单、占用资源 少、处理速度快、抗干扰能力强、实时性好、各处理通道之间相互独立以及信号完整性好的 特点。


图1为本发明系统结构框图2为可编程前置放大器电路原理图3为可调截止频率低通滤波器电路原理图
图4为陷波器电路原理图5为可调截止频率高通滤波器电路原理图
图6为信号选择分配网络原理结构框图7为信号选择分配网络电路原理图。
具体实施例方式为了使本发明更容易被理解，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说 明。参阅图2，一种多路可动态配置信号处理系统，该系统由可配置信号处理模块和主 控模块组成，以主控模块为处理系统的控制核心，被处理信号依次传递于可编程放大器1、 信号选择分配电路一 2、可调截止频率低通滤波器3、陷波器5、可调截止频率高通滤波器4、 信号选择分配电路二 6。主控模块7动态调整可配置信号处理模块中各单元的参数。参阅图2，为保证原始信号能在较为合适的状态下被系统拾取，同时兼顾系统对处 理模块的高保真、低噪声要求，系统采用体积和功耗均较小、采用S0T-23封装的LTC6910-2 来实现对信号的前置放大，其采用三脚CMOS电平输入来控制放大器的放大倍数，这不仅使 其控制简单，而且三线的操作方式也节省了大量MCU的IO 口资源；考虑LTC6910-2将输入 电流限制在士25mA，实际应用电路中输入输出端接入了 0欧电阻防止电流过大而损坏芯 片；同时为了保证电路中LTC6910-2的地线干扰降至最低，在其正负电源的供电端接入了 耦合电容，以降低电源纹波。由LTC6910-2的参数表可以直观的看出其在采用士5V双电源 供电时，具有更宽的信号输入动态范围，充分满足了地震信号采集要求，同时其标称输入阻 抗在较高增益时仍保持很低的值，而由于有效地震信号的频率较低，所以电路设计当中对 信号输入部分只能接入0欧电阻，而没采用常规的放大电路中需要加入合适的隔直电容， 即保证放大器自身输入阻抗远大于有效地震信号经过电容的容抗，根据这种要求，通过计 算显示还无法获取能满足此条件的电容，这也进一步验证了电路设计的合理性。参阅图3，同样为适应系统对低通滤波器截止频率可调的需求，此部分主要由 MAX263、二——八二进制分频计数器⑶4024、高速模拟开关MAX398组成组合实现。由于 ⑶4024最小输出是二分频，所以需要输入400kHz的时钟源信号，经分频后送入MAX398的通 道入口，通道选择输出端直接入MAX263。为了使输入信号幅度具有更大的动态范围，实际应 用当中MAX263采用士5V供电的方式。充分考虑到输入时钟信号的实时性，选择了高速模 拟开关MAX398控制选择通道，其传输延时最大仅为575ns。通过MAX263的引脚编码表观察到f。lk/fQ的比值是一个变化量，而我们设计当中 截止频率&必须是一个变化量，如果再设置f。lk为一变化量，即上述的方式，根本无法满 足条件，这种情况下可以考虑采用设置为一定值，fo随f。lk的变化而变化的方式来 设计。具体的实现方式是分别选取一组固定的F4 FO和Q6 QO较为合适的编码值，通 过控制MAX263输入的时钟频率来达到控制滤波器截止频率的目的，而系统时钟部分只能 是稳定的单一频率输出的时钟源，有效的方法是采用倍频或分频的方式并利用高速模拟开 关来切换选择输入时钟，由此在设定时钟频率选择F4 FO的引脚编码值时可用从两方面 考虑，一是以合适最小编码值来确定时钟的频率，即设置所需时钟源频率为最小，然后利用 倍频器产生不同时钟频率，二是以最大合适编码值来确定，此时的时钟源频率为最大合适 频率，进而运用分频器产生各种频率信号。综合考虑滤波器的性能和时钟源的选取，本设 计选择了后一种实现方法，通过计算可以得出f。lk/fc) = 194. 78为最大合适编码值，此时 时钟频率，fclk = 194. 78*1024 = 199. 455kHz ^ 200kHz,当截止频率 f0 = 32Hz 时，fclk = 194. 78*32 = 6232. 96Hz。由于滤波器的实际输入时钟是分频后产生的，要满足200kHz分 频至6232. 96Hz，必须经过32 = 25分频，因此可以选择二进制分频计数器实现。并且综合考虑滤波器性能，选择Q = 8，即Q6 QO = 1111000。由此也可以计算出滤波器在各截止 中心频率条件下通带频率fp、阻带频率f。的值。高质量的供电电源对滤波器的滤波效果及整个系统的抗干扰能力是至关重要的， 电路中在每个单元器件电源部分除了运用稳压模块外，仍需在接近IC电源附近接入了 100 μ F和0. 1 μ F的电容抑制来自地线的高频干扰，使信号通过滤波器后，不仅能保证整个 信号的完整性，更能保证极低的噪声和温漂。参阅图4，系统中陷波器的设计目的通常是为了滤除工业频率的干扰，针对中国的 现状这种工频干扰主要是指频率为50Hz的干扰信号。滤除这一单一频率信号的有效途径 是采用陷波器，设计中采用开关电容LTC 1068-200CG结合相应的电阻网络来完成四路并 行(一组芯片集成两路)的四阶陷波器。整个设计可以结合凌特公司所提供的滤波器设计 软件来完成，包括相应电阻阻值的计算。根据滤波器设计软件中提供的参数，LTC1068-200CG达到50Hz陷波的目的需要在 时钟输入端输入频率为IOKHz的TTL或CMOS电平占空比为50%的方波信号。设计中利用 NE555来产生所要求稳定的IOKHz方波信号。由于经过陷波器部分的信号是模拟信号，而其 采用的时钟信号则为数字信号，为了避免两种信号之间的相互干扰，陷波器电路和信号发 生器电路相应的模拟地和数字地必须隔离。从而最大程度上保证信号的高保真度，有效的 滤除工频干扰。当然系统中必须考虑的一个问题是尽管存在50Hz的工频干扰，但实际的各种地 震勘探方法中有效地震信号的频率包含50Hz的信号，如果系统中选择使用了这种陷波器， 理论上也滤除了这一频率的有效地震信号，所以陷波器的使用必须充分考虑到野外采集以 及勘探方法的需要，避免出现因为方法选择不当而造成系统误差，并充分保证系统处于比 较优化的状态。参阅图5，通常情况下工程地震勘探中布线条件及环境的干扰，使得地震信号频率 干扰不仅来自于高频干扰，更多的也来自于有效地震信号频率以下的诸多低频干扰，同样， 特定的地震勘探方法及地质条件与环境所要求的滤波器截止频率也会截然不同，所以为满 足系统要求，低切滤波器即高通滤波器的设计同样是截止频率可动态调整的，系统充分利 用数字电位器X9241U的各种性能，结合电容网络来完成四路并行的二阶无源高通RC滤波 器。充分考虑X9241U电位器最大阻值为50K，设计中通常确定电容的容值大小，由此可以根 据这些参数运用RC高通滤波器截止频率的计算公式f。= 1/2 π RC计算出相应截止频率需 要的电位器阻值，进而通过主控制器改变X9241U相应的电位器阻值达到整个高通滤波器 截止频率可调的目的，由于仅仅是需要控制X9241U内部电位器的阻值，所以电路采用单5V参阅图6及图7，结合上述的信号处理模块的处理方法，并充分考虑野外地质条件 及勘探方法的不同，信号处理单元的各种参数必须是可动态配置的，如地震信号是否需要 通过三种滤波器、经过其中一种或者几种滤波器，比较好的处理方式是信号通过必要的信 号选择分配网络，地震信号的主要流向是首先经过信号分配单元，分别流入各种滤波器单 元及直通至信号选择单元，而其中的地震信号在流出前两组滤波器后再分流入其下一级滤 波器以及直通至信号选择单元。从整个框图可以看出整个网络的核心部分是信号选择分 配电路，本设计中采用数据选择器MAX399来完成此功能。其具有高精度、极低延时、轨对
6轨输入输出、极低功耗等特性的双四选一数据选择器，内部采用CMOS工艺结构，由此也使 得MAX399可以翻转作为数据分配器来使用，其接通后内部电阻小于100 Ω，各通道间微调 电阻小于6Ω，方案采用5V双电源供电方式，保证其能很好的兼容地震信号的高低电平。 ΜΑΧ399主要是通过二个控制端口的高低电平组合来实现通道的选择，四选一的通道组合方 式也充分满足了系统的信号选择要求，同时ΜΑΧ399仅需要两线控制，节省了主控制器的诸 多IO 口资源，同时也使得编程控制更为简便。
权利要求
一种多路可动态配置信号处理系统，其特征在于该处理系统由可动态配置信号处理模块和主控模块构成；可动态配置信号处理模块由四路可编程增益放大电路、信号选择分配电路一、可调截止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器、信号选择分配电路二组成，原始信号首先经四路可编程增益放大电路放大，再由信号选择分配电路一分配为流入可调截止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器及直通信号四种流向的信号，流向可调截止频率低通滤波器、可调截止频率高通滤波器、陷波器的三路信号经处理后与直通信号再次流入信号选择分配电路二进行选择分配；主控模块用于对系统中各处理单元可编程模拟芯片的驱动控制，并接受来自外部的各种控制指令以实时调整各处理单元的配置参数。
2.根据权利要求1所述一种多路可动态配置信号处理系统，其特征在于所述信号选 择分配电路一、二均由四选一数据选择器实现功能。
3.根据权利要求1所述一种多路可动态配置信号处理系统，其特征在于所述陷波器 的功能是滤除50Hz工业频率。
4.根据权利要求1所述一种多路可动态配置信号处理系统，其特征在于所述主控制 器为单片机、ARM、FPGA、DSP中的任意一种。
5.根据权利要求2至4中任意一项权利要求所述一种多路可动态配置信号处理系统， 其特征在于所述可动态配置信号处理模块中各处理单元均采用全模拟可编程芯片。
6.根据权利要求2至4中任意一项权利要求所述一种多路可动态配置信号处理系统， 其特征在于所述可动态配置信号处理模块中各处理通道之间相互独立。
全文摘要
本发明公开了一种多路可动态配置信号处理系统，该处理系统由可动态配置信号处理模块和主控模块构成，通过可动态配置信号处理模块对原始信号实现放大、滤波、信号分配处理；并通过主控模块对可动态配置信号处理模块的各处理单元进行驱动控制实现处理模块的可动态配置。本发明的有益效果是整个处理系统均采用模拟芯片，最大程度上保证了信号的完整性；且具有控制简单、占用资源少、处理速度快、抗干扰能力强、实时性好的特点。
文档编号H03H7/01GK101963675SQ20101026360
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者余小平, 庹先国, 成毅, 李哲, 李怀良, 杨剑波, 王洪辉, 王磊 申请人:成都理工大学