一种高精度低成本地震信号采集电路的制作方法

1.本发明涉及水利水电工程地球物理勘探仪器领域，尤其涉及一种用于检测不良体空间结构和物性参数识别、采空区、岩溶探测、防渗墙质量检测、堤坝隐患探测等方面的地震波层析成像系统的地震信号采集电路。


背景技术：

2.利用地震波走时层析成像(computerized tomography，简称ct)技术对地下岩体内部结构进行无损检测，是一种精度高、速度快的探测方法，该方法是利用地震波在地下介质传播，根据弹性波传播速度的差异，通过走时数据的拾取和计算机反演成像技术来重建介质的速度分布图像，进而直观地再现地下介质结构、速度分布及弹性参数等信息。
3.地震波层析成像系统组成包括震源、地震检波器和工程地震仪三部分，其中震源用于激发地震波，地震检波器用于接收地震波信号，工程地震仪则用于采集和记录地震波形并进行存储分析。地震波层析成像技术的发展，离不开稳定、可靠、精密的工程地震仪，地震波在地下传播信号较弱，这就要求地震仪的信号采集电路具有非常高的灵敏度、且提供滤波和抗干扰设计、配套相应的信号放大电路、同时也需要兼顾低成本、高稳定性和高靠性性。工程地球物理勘探领域使用的地震仪工艺和技术都已经非常成熟，但是在如何设计高精度、高灵敏度、低成本的地震信号采集电路方面的研究较少，业界尚未出现专门用于地震波层析成像采集系统相关的高精度低成本地震信号采集电路。
4.针对上述问题，现在设计一种高精度低成本地震信号采集电路。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于设计一种高精度低成本地震信号采集电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在地震波层析成像系统中使用的工程地震仪相关的地震信号滤波、放大、采集及系统自检电路的系统，具体包括地震波模拟信号输入模块、程控放大模块、高精度参考电压产生电路模块、高精度多通道a/d电路及自检波形产生电路模块。
7.所述自检波形产生电路模块，如附图1中u1用来产生各种检测所需的波形进行通道及传感器检测；进一步，所述自检波形产生电路模块，u1采用max333acwp集成芯片，max333acwp是一款高精度、四路、spdt、cmos模拟开关；进一步，所述自检波形产生电路模块，max333acwp的引脚ctr1、ctrl2与微控制器mcu的控制引脚连接（mcu一般为单片机，上图未画出），mcu控制max333acwp的开关时间从而产生各种自检所需的波形，用于采集通道及传感器测试；进一步，所述自检波形产生电路模块，max333acwp的引脚an1n_test 、an1p_test，an2n_test 、an2p_test，为两路自检波形输出引脚；
进一步，所述自检波形产生电路模块，通过mcu控制max333acwp模拟开关时间，实现自检波形产生，可替代的传统的昂贵的数模转换器d/a生产自检波形（d/a将处理过的数字量变成模拟量，通过多通道模拟开关输出），可大大节约成本。
8.所述地震波模拟信号输入模块，如附图2所示，该模块包括地震传感器信号输入端子、保护单元（防止输入信号过大损坏后续电路）、程控开关，输入信号滤波；进一步，所述地震波模拟信号输入模块，an1p、an1n端子，用于连接输入地震检波器信号，tz1与tz2是保护电阻，阻止地震检波器端输入过大导致损坏后面的电路，k1继电器用来切换信号是由外部传感器an1p、an1n输入/an1p_test、an1n_test输入，或从固定的电阻r2输入；进一步，所述地震波模拟信号输入模块，当k1继电器不动作时，用来测量外部an1p、an1n输入的传感器信号或者接an1p_test、an1n_test测试信号对传感器进行自检。当继电器k1动作切换，输入为r2，主要用来测量仪器本身的噪声或者检测通道电路是否有问题；进一步，所述地震波模拟信号输入模块，tz1与tz2采用压敏电阻，k1为普通继电器，d1为续流二极管，电阻r1和三极管q1组成的电路用于驱动控制k1继电器动作，电路系统中微控制器mcu（mcu一般为单片机，上图未画出），mcu控制k_ctrl引脚输入高低电平从而控制k1动作；进一步，所述地震波模拟信号输入模块，信号输入后，为防止高频噪声干扰，后级电路电阻r7、电阻r8、电容c1组成一个低通滤波用来滤除输入的高频信号。
9.所述程控放大电路模块，如附图3所示，u2是一个程控运算放大器ic，用来对输入信号进行放大或缩小，放大倍数通过控制器进行控制；进一步，所述程控放大电路模块，u2采用pga280运算放大器ic， pga280运算放大器是一款集4通道、可编程增益（g=1、10、100、1000）、零漂移、高电压、高精度仪表放大器，具有数字控制增益和信号完整性测试功能，具有低失调电压，且失调电压、增益温漂和1/f噪声近乎为零，还具有出色的线性度、共模抑制比和电源抑制比，可支持高分辨率的精密测量；进一步，所述程控放大电路模块，pga280的inn1、inp1，inn2、inp2引脚用于输入地震波信号，von、vop引脚输出放大后的地震波信号；进一步，所述程控放大电路模块，r9、r10、c2用于输入电源vcc+5 进行滤波，保证供电稳定，r11、r12、c3组成滤波电路，对放大输出信号进行滤波；进一步，所述程控放大电路模块，pga280由电路系统中mcu（一般为单片机，上图未画出）控制，具体pga280对应pga_cs1、pga_sclk1、pga_sdi1、pga_sdo1引脚连接至mcu控制口。
10.所述高精度参考电压产生电路模块，如附图4所示，u3为高精度参考电压产生电路，为高精度多通道a/d模块u4提供参考；进一步，所述高精度参考电压产生电路模块，u3采用高精度基准源 ref5025集成ic，它主要为adc和dac等提供高精度、高稳定性的电源。基准源ref5025具有完美的精度，vcc+5供电时，输出稳定的2.5v，并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变；进一步，所述高精度参考电压产生电路模块，u3高精度基准源 ref5025的输入输
出端的旁路电容c4、c5、c6、c7起到抗干扰的作用，滤除高频噪声干扰作用，减小电源波动所引起的影响。
11.所述高精度多通道a/d模块，如附图5所示， u4为4通道高精度多通道a/d，可以采集模拟地震信号并数字化；进一步，所述高精度多通道a/d模块u4，采用ads1274集成ic，它是基于
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∑技术的24位高性能工业模数转换器，内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和fir数字滤波器，可实现4通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，数据输出可选帧同步或spi串行接口，用于4通道模拟信号并行采集和4路并行数字信号输出；进一步，所述高精度多通道a/d模块u4，ads1274的ainn1、ainp1，ainn2、ainp2，ainn3、ainp3，ainn4、ainp4引脚，为4路模拟信号输入，ads1274的dout1、dout2、dout3、dout4引脚为4路并行数字信号输出；进一步，所述高精度多通道a/d模块u4，ads1274的vrefp（to_advref）引脚，连接外部高精度电压参考源u3；进一步，所述高精度多通道a/d模块u4，ads1274的adclk、adsclk、adrdy等引脚，连接至微控制器mcu，接受mcu控制。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种由地震波模拟信号输入模块、程控放大模块、高精度参考电压产生电路模块、高精度多通道a/d电路及自检波形产生模块的地震信号采集电路系统，该电路用于地震波层析成像数据采集，可降低工程地震仪生产制造成本，提高数据采集精度。
附图说明
13.图1为本发明的低成本自检波形产生电路模块原理图；图2为本发明的地震波模拟信号输入模块原理图；图3为本发明的程控放大电路模块的电路原理图；图4为本发明的高精度参考电压产生电路模块电路原理图；图5为本发明的高精度多通道a/d模块电路原理图；图6为本发明的各电路模块连接原理图。
14.图中：1-自检波形产生电路模块，2-地震波模拟信号输入模块，3-程控放大电路模块，4-高精度参考电压产生电路模块，5-高精度多通道a/d模块。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.请参阅图1-图6，本发明实施例中，一种高精度低成本地震信号采集电路，包括模拟信号输入模块、程控放大模块、高精度参考电压产生电路模块、高精度多通道a/d电路及自检波形产生电路模块。
17.采集电路系统有两种工作模式，本发明实施例1中，采集电路处于自检模式，mcu控
制2-地震波模拟信号输入模块中的继电器k1动作切换输入为r2，断开外部检波器信号输入（即采集电路系统的不接收外部地震检波器an1p、an1n引脚输入的信号），采集信号由1-自检波形产生电路模块u1的max333acwp的信号输出an1p_test、an1n_test，输出自检模拟波形测试信号，输出自检模拟波形信号通过3-程控放大电路模块u2进行放大后，由5-高精度多通道a/d模块u4采集并输出数字信号，4-高精度参考电压产生电路模块u3为5-高精度多通道a/d模块u4提供高精度时钟。
18.本发明实施例2中，采集电路处于测量模式，mcu控制2-地震波模拟信号输入模块中的继电器k1动作，用来测量外部输入的传感器信号或者对传感器进行检查，此时，1-自检波形产生电路模块u1是不工作的。
19.地震波模拟信号输入模块中的an1p、an1n引脚接收外部地震检波器接收信号，当外部检波器接收的信号过大时，保护电阻tz1、tz2可阻止地震检波器端输入过大导致损坏后面的电路，同时，r7，c1，r8组成一个低通滤波用来滤除输入的高频信号；滤波后的地震波模拟信号输入3-程控放大电路模块u2，进行信号放大（具体的放大倍数通过mcu进行设置），输入的地震波模拟信号通过3-程控放大电路模块u2放大后，输出至5-高精度多通道a/d模块u4进行采集模拟信号并数字化。4-高精度参考电压产生电路模块u3为5-高精度多通道a/d模块u4提供高精度时钟。
20.此外，上述图6原理图中，仅提供了1个通道的地震波信号输入，滤波、程控放大及a/d转换采集信号并数字化的实施案例，4通道的地震信号输入、滤波、放大、a/d转换采集过程类似，在此不赘述，目前常规的工程地震仪一般采用24道采集，通过上述方案进行拓展也非常容易实现，在此不一一赘述。

技术特征：
1.一种高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，包括模拟信号输入模块、程控放大模块、高精度参考电压产生电路模块、高精度多通道a/d电路及自检波形产生电路模块。2.根据权利要求1所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，所述模拟信号输入模块采用外接端子，设置有2个引脚，采用差分信号传输方式，其第一引脚an1p、第二引脚an1n与外部地震传感器的两个信号输出引脚连接。3.根据权利要求1所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，所述程控放大模块采用pga280运算放大器ic，pga280运算放大器是一款集4通道、可编程增益、零漂移、高电压、高精度仪表放大器。4.根据权利要求1所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，所述高精度参考电压产生电路模块采用高精度基准源 ref5025集成ic，基准源ref5025具有完美的精度，vcc+5供电时，输出稳定的2.5v，并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。5.根据权利要求1所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，所述高精度多通道a/d电路采用ads1274集成ic，它是基于
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∑技术的24位高性能工业模数转换器，内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和fir数字滤波器，可实现4通道同步采样。6.根据权利要求1所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，自检波形产生电路模块采用max333acwp集成芯片，max333acwp是一款高精度、四路、spdt、cmos模拟开关，通过mcu控制max333acwp模拟开关时间，通过对电容器c1充放电时间控制，实现自检波形产生。7.根据权利要求6所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，自检波形产生电路模块通过低成本的max333acwp模块开关芯片及mcu控制器，可替代昂贵的数模转换器d/a芯片产自检波形。8.根据权利要求2所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，为防止外部地震传感器输入信号过大或者误接其他类型传感器，造成后续电路损坏，提供了tz1与tz2压敏电阻，防止输入信号电压过高。9.根据权利要求2所述的高精度低成本地震信号采集电路，其特征在于，提供一个切换作用的继电器k1，k1不动作时，用来测量外部an1p、an1n输入的传感器信号或者接an1p_test、an1n_test测试信号对传感器进行自检，当继电器k1动作切换，输入为r2，主要用来测量仪器本身的噪声或者检测通道电路是否有工作正常。10.根据权利要1所述的高精度低成本地震信号采集电路,其特征在于，所述的程控放大模块、高精度多通道a/d电路及自检波形产生电路模块，其特征在于，实现了4通道地震信号放大、采集、及自检，通过该方法并联组合即可多通道（常规工程地震采用24道）并行采集。

技术总结
本发明涉及水利水电工程地球物理勘探仪器领域，具体公开了一种高精度低成本地震信号采集电路，包括模拟信号输入模块、程控放大模块、高精度参考电压产生电路模块、高精度多通道A/D电路及自检波形产生电路模块，所述自检波形产生电路模块，U1用来产生各种检测所需的波形进行通道及传感器检测，所述地震波模拟信号输入模块，该模块包括地震传感器信号输入端子、保护单元、程控开关，输入信号滤波，所述程控放大电路模块，U2是一个程控运算放大器IC，所述高精度参考电压产生电路模块，U3为高精度参考电压产生电路。本发明用于地震波层析成像数据采集，可降低工程地震仪生产制造成本，提高数据采集精度。高数据采集精度。高数据采集精度。


技术研发人员：周相 段斌 王海胜 李美萍 严思源 姜乐星 程祥育 朱昱衡 李树武 陈宗刚 张明财 陈卫东
受保护的技术使用者：国能大渡河金川水电建设有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/9