一種用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)的程控增益放大系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)的程控增益放大系統(tǒng)，屬于地震前 兆信號(hào)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震給人類的生活帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，嚴(yán)重威脅人類的生命財(cái)產(chǎn)安全，如何預(yù)測(cè) 地震的發(fā)生就凸顯出其必要性，這也是全人類的期待。介于目前地震前兆預(yù)測(cè)研宄領(lǐng)域沒(méi) 有一個(gè)精確的手段能夠預(yù)測(cè)地震的發(fā)生，對(duì)于新的地震前兆預(yù)測(cè)研宄很有必要，以便去尋 找一個(gè)更好的方法預(yù)測(cè)地震的發(fā)生。
[0003] 地震發(fā)生前地球天然脈沖小信號(hào)可用于地震預(yù)測(cè)，地球天然脈沖小信號(hào)分析所采 集的地磁信號(hào)來(lái)自于磁信號(hào)感應(yīng)傳感器，傳感器最終輸出的地磁信號(hào)幅度非常小，從幾毫 伏至百毫伏不等，另外還包含了一些其他不必要的噪聲，如閃電、高壓線、施工電器等都會(huì) 產(chǎn)生磁信號(hào)來(lái)干擾系統(tǒng)。再加上地磁信號(hào)本身具有微弱、波動(dòng)范圍大、來(lái)源廣、易受干擾等 特點(diǎn)，因此需要對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行一定的調(diào)整，方便對(duì)信號(hào)的采集，以獲取較為真實(shí)的震前 電磁異常信號(hào)，從而為后續(xù)進(jìn)行有效的基于地球天然脈沖電磁場(chǎng)分析的孕震信息時(shí)頻特點(diǎn) 研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信 號(hào)的程控增益放大系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效的對(duì)地球天然脈沖小信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào) 幅度的調(diào)整，方便于有用信號(hào)的采集和分析，從硬件上解決了地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)數(shù) 據(jù)的獲取、采集、篩選、保存問(wèn)題，為后續(xù)算法分析提供穩(wěn)定可靠的信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)的程控 增益放大系統(tǒng)，至少包括計(jì)算機(jī)、通過(guò)串口線與計(jì)算機(jī)連接的控制器、用于采集地球天然脈 沖電磁場(chǎng)信號(hào)的傳感器和與傳感器電連接的信號(hào)放大單元，傳感器與控制器之間通過(guò)由信 號(hào)調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的AD采集電路連接，所述信號(hào)放大單元為程控增益放大 電路，采集的地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)程控增益放大電路調(diào)整后輸出，AD采集電路和程 控增益放大電路均與控制器電連接，控制器上連接有用于將外接電源轉(zhuǎn)化為工作電壓的電 源模塊；所述程控增益放大電路由依次串聯(lián)的程控增益前級(jí)放大電路、程控增益二級(jí)放大 電路、程控衰減電路和程控增益末級(jí)放大電路四級(jí)電路構(gòu)成，其中程控增益前級(jí)放大電路 由運(yùn)算放大電路A和RC高通濾波電路串聯(lián)構(gòu)成，RC高通濾波電路的輸出端即為程控增益 前級(jí)放大電路的輸出端，程控增益二級(jí)放大電路為運(yùn)算放大電路B，程控衰減電路由模數(shù)轉(zhuǎn) 換器和運(yùn)算放大電路C串聯(lián)構(gòu)成，程控增益末級(jí)放大電路包括并聯(lián)的開(kāi)關(guān)元件和運(yùn)算放大 電路D，控制器通過(guò)開(kāi)關(guān)元件控制運(yùn)算放大電路D的通斷。
[0006] 所述程控增益放大電路的放大倍數(shù)為10000倍，其中程控增益前級(jí)放大電路的放 大倍數(shù)為100倍，增益設(shè)定公式為
其中Rg值為499 Q ;程控增益二級(jí)放 大電路的放大倍數(shù)為10倍，增益設(shè)定公式為
《中Rh值為100 D，Rf值為 910 Q ;程控增益末級(jí)放大電路中運(yùn)算放大電路D的放大倍數(shù)為10倍。
[0007] 所述信號(hào)調(diào)理電路和運(yùn)算放大電路A均為儀表放大器，程控衰減電路為乘法型 DAC與運(yùn)算放大電路C的組合電路，開(kāi)關(guān)元件為繼電器或模擬開(kāi)關(guān)。
[0008] 程控衰減電路為壓控電路或模擬乘法器。
[0009] 所述控制器為單片機(jī)，單片機(jī)上設(shè)有擴(kuò)展SD卡接口。
[0010] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)的程控增益放 大系統(tǒng)，由低功耗單片機(jī)為控制核心，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制程控增益放大電路的增益參數(shù)和 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的采樣率，同時(shí)控制AD采集電路采集研宄需要的電壓范圍并且去除無(wú)效數(shù) 據(jù)。單片機(jī)可通過(guò)串口線和主機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)計(jì)算機(jī)界面可以配置程控增益放大電路的 增益參數(shù)、AD采集電路的采樣率和電壓采集范圍，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并且保存于計(jì) 算機(jī)；傳感器用于采集地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)，該信號(hào)的特點(diǎn)是幅度小并且包含較多干 擾信號(hào)，信號(hào)采集后一路通過(guò)AD采集電路轉(zhuǎn)化后輸入單片機(jī)，單片機(jī)將所得到的每秒鐘高 于門限值電壓的數(shù)目和這一秒鐘所采集電壓的平均值這兩種信息通過(guò)串口線傳輸至計(jì)算 機(jī)進(jìn)行保存，另一路通過(guò)程控增益放大電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，程控增益放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行 三級(jí)放大同時(shí)插入衰減電路實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)程控可調(diào)，程控增益放大電路的四級(jí)電路具體 為：
[0011] (1)程控增益前級(jí)放大電路，由儀表放大器和RC高通濾波電路（300Hz)串聯(lián)構(gòu)成， 其放大倍數(shù)為100倍，增益設(shè)定公式為：
中Rg值為499 D，輸入信號(hào)幅 度不超過(guò)200mVp-p，最大輸出幅度不超過(guò)20Vp-p ;
[0012] (2)程控增益二級(jí)放大電路，為運(yùn)算放大電路B或運(yùn)算放大器，其放大倍數(shù)為10 倍，增益設(shè)定公式為：
_中Rh值為100Q，Rf?值為910Q，輸入信號(hào)幅度不 超過(guò)2Vp-p，避免由于供電原因造成輸出截止；
[0013] (3)程控衰減電路，為乘法型DAC與運(yùn)算放大電路C的組合電路，該電路具有MHz 級(jí)別的帶寬；
[0014] (4)程控增益末級(jí)放大電路，包括并聯(lián)的開(kāi)關(guān)元件和運(yùn)算放大電路D，放大倍數(shù)為 1倍或10倍，單片機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)元件控制運(yùn)算放大電路D的接通（信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路D， 信號(hào)放大10倍后輸出）或斷開(kāi)（信號(hào)直接輸出），信號(hào)最高輸入幅度不超過(guò)2Vp-p。
[0015] 本發(fā)明提供的程控增益放大系統(tǒng)，程控增益前級(jí)放大電路和信號(hào)調(diào)理電路均為儀 表放大器，具有高共模抑制比、高輸入阻抗、共模抑制比與放大倍數(shù)成正比的特點(diǎn)，可有效 放大傳感器采集的差分信號(hào)，程控增益放大電路的總放大增益為10000倍，其中程控增益 前級(jí)放大電路輸入信號(hào)的幅度最小，不會(huì)受到壓擺率參數(shù)的限制，該電路具有共模抑制比 與放大倍數(shù)成正比的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)增益為100倍；程控增益放大電路中插入程控衰減電 路，通過(guò)控制衰減參數(shù)以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)0~80dB程控可調(diào)。
[0016] 系統(tǒng)通過(guò)電源模塊將外接電源（±12V輸入電源）轉(zhuǎn)化為工作電壓（5V電源和 3. 3V電源），單片機(jī)的接口主要包括AD控制總線、增益控制總線、下載接口，單片機(jī)上設(shè)有 擴(kuò)展SD卡接口，以便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的用于地球天然脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)的程控增益放大系 統(tǒng)中，程控增益放大電路針對(duì)于地球天然脈沖小信號(hào)的幅度調(diào)整，可以方便于地磁信號(hào)的 采集工作，采用儀表放大器作為前級(jí)獲取微弱信號(hào)，后兩級(jí)采用精密低噪聲運(yùn)放組成高增 益放大電路，最高放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)80dB，并在中間級(jí)插入由乘法型DAC與運(yùn)算放大電路C組成 的程控衰減電路實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)0~80dB程控可調(diào)。
【附圖說(shuō)明