水利工程全波列超聲測(cè)井信號(hào)自動(dòng)增益放大電路設(shè)計(jì)

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 周錫芳 張曉予

1 引言

在水利工程全波列信號(hào)采集過程中，由于地質(zhì)條件變化較大，信號(hào)輸入端需要較強(qiáng)的信號(hào)幅度控制調(diào)整能力，而傳統(tǒng)的放大電路無法兼顧一些幅度不大的高頻縱波、幅度過大的低頻斯通利波；在軟地層及薄互層測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)的放大電路存在放大倍數(shù)不夠或放大倍數(shù)調(diào)整響應(yīng)遲緩的缺陷，不利于提高工作效率。用自動(dòng)增益控制放大的方法就能解決這些問題。

2 可變?cè)鲆娣糯笃鞯恼w結(jié)構(gòu)

本文采用的是壓控增益放大器，如圖1所示。VGA具有60DB的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)，放大倍數(shù)很高，信號(hào)輸入前經(jīng)過帶通濾波，避免直流信號(hào)引起信號(hào)失真。

圖1 壓控增益放大電路結(jié)構(gòu)框圖

3 電路設(shè)計(jì)

詳細(xì)電路如圖2所示。壓電換能器的輸出阻抗高，輸出信號(hào)有一個(gè)很強(qiáng)的50Hz干擾信號(hào)，因此用運(yùn)放U3做了一級(jí)高通濾波，濾除50Hz干擾信號(hào)，且進(jìn)行阻抗匹配，避免輸入阻抗過低影響壓電換能器的信噪比。

U3為ADI公司的壓控增益放大器AD8336，其功能框圖如圖3所示，其內(nèi)部由前置放大器、衰減器、固定增益放大器、偏置級(jí)和增益控制接口等五部分組成。總的增益是前置放大器增益、衰減器增益和固定增益放大器之和。芯片的前置放大級(jí)采用差分輸入，具有較好的共模抑制能力，放大倍數(shù)可在0～26d B范圍內(nèi)調(diào)整。該芯片通過調(diào)節(jié)增益控制接口輸入端的電壓控制衰減器的衰減因子，實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益放大-26dB～34dB或0dB～60dB。測(cè)井探管是長(zhǎng)線供電，且電路板在井下密閉空間工作，為了降低功耗，采用±5V供電。AD8336的前置放大器作為低通濾波器，進(jìn)一步濾除干擾。增益控制負(fù)輸入端接0.75V，則增益控制正輸入端的變化范圍是0～1.5V。

圖3 AD8336功能框圖

U1為有效值轉(zhuǎn)直流芯片AD8436，其內(nèi)部包含了一個(gè)輸入緩沖器、交直流轉(zhuǎn)換內(nèi)核和一個(gè)輸出緩沖器。輸入緩沖器是一個(gè)寬帶JFET放大器，在10mv交流輸入下的3dB帶寬為2.7MHz，在1v交流輸入下的3dB帶寬為1.5MHz。交直流轉(zhuǎn)換內(nèi)核包括一個(gè)精密電流響應(yīng)全波整流器和一個(gè)對(duì)數(shù)-反對(duì)數(shù)晶體管陣列，用于進(jìn)行電流平方和平方根計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換。對(duì)于交直流轉(zhuǎn)換只需一個(gè)外部電容用于均值計(jì)算。任意輸入電平均能迅速建立轉(zhuǎn)換，帶寬為1MHz。輸出緩沖器是一個(gè)雙極性輸入放大器，經(jīng)過激光調(diào)整以消除輸入失調(diào)電壓誤差。

圖2 壓控增益放大電路圖

本設(shè)計(jì)將輸出緩沖器作為一個(gè)比較器，在同向輸入端施加一個(gè)電壓基準(zhǔn)，調(diào)整該基準(zhǔn)可以調(diào)整AD8336的輸出電壓有效值。要比較的電壓是來自交直流轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)電壓。輸出接到AD8336的增益控制正極端，當(dāng)比較輸入降至基準(zhǔn)電壓以下時(shí)，比較輸出電壓會(huì)增加，使AD8336的放大倍數(shù)增加，其輸出恢復(fù)其標(biāo)稱電平。若比較基準(zhǔn)設(shè)為88mV則最小能將11mV的信號(hào)放大到1.7V，要想放大更小信號(hào)，則將該基準(zhǔn)調(diào)低。

4 測(cè)試結(jié)果

將該電路輸入端接上壓電換能器，信號(hào)輸出端和放大倍數(shù)輸出端接上示波器，則可以看到如圖4所示信號(hào)。一通道為發(fā)射同步信號(hào)，二通道為輸入信號(hào)，三通道為輸出信號(hào)，四通道為放大倍數(shù)信號(hào)。從圖上看，該電路能同步放大小信號(hào)或縮小大信號(hào)，乘上放大倍數(shù)就能恢復(fù)原始信號(hào)。

圖4 測(cè)量波形圖一

圖5 測(cè)量波形圖二

從圖4、5、6可以看出，不管輸入變大變小，輸出基本在±2V，達(dá)到了自動(dòng)放大恒定輸出的目的。

圖6 測(cè)量波形圖三

5 結(jié)論

通過測(cè)試結(jié)果可知，采用自動(dòng)增益控制放大的方法，可以較好的解決水利工程全波列測(cè)井信號(hào)實(shí)時(shí)控制問題，實(shí)現(xiàn)多種地質(zhì)條件下水利工程全波列測(cè)井信號(hào)的完整接收，降低因地質(zhì)條件變化導(dǎo)致的削波或波幅放大不足，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理保存了完整的全波列信號(hào)。

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