一种高动态范围的微震信号采集设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微震监测领域，具体涉及一种高动态范围的微震信号采集设备。
【背景技术】
[0002] 随着经济和科技的迅猛发展，微震检测技术在安全生产监测方面得到广泛的应 用，微震监测系统是采矿安全管理中不可或缺的组成部分。微震检测系统主要是利用微震 检测的数据进行分析、判断微震发生的地理位置，因此微震检测系统数据采集的质量直接 影响监测的准确性。在微震监测系统中采用微震检波器拾取微震信号，并转换成电信号。由 于不能预先确定前端信号振幅的大小，所以无法设定一个合适的放大器增益对信号进行放 大。同时微震信号还会伴随着各种干扰，甚至微震信号被周围环境的噪声所淹没。所以如 何提高信号采集的动态范围和提高信号的信噪比成为了微震检测系统的关键问题。
[0003] 目前，提高微震信号的采集的动态范围和采样精度的通常方法有：（1)选用高位 数的A/D转换器，但是这种器件价格非常昂贵。（2)对信号进行对数运算，即对信号的动态 范围进行压缩，然后对信号进行采样，这种方法的缺点是降低信号采集的精度。（3)、通过对 之前采样的数据进行相应的处理，调整放大器的增益，但是对于随机多变的信号，这种方法 难以适应。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种高动态范围的微震信号采集设 备，适用于大动态范围的微震信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号 进行无失真采样，该设备精度高、稳定性好，价格低廉。
[0005] 实现本发明目的的技术方案，
[0006] -种高动态范围的微震信号采集方法，包括如下步骤：
[0007] 1)采用微震传感器把机械的微震信号转换成模拟的电信号；
[0008] 2)预处理电路将得到的电信号进行初步的放大和滤波；
[0009] 3)将经过预处理后的信号与电压进行比较，确定信号幅度的范围；
[0010] 4)采用电压比较器得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适 合的A/D采样范围；
[0011] 5)对信号进行采样和原信号值进行还原；
[0012] 6)对信号进行滤波处理，滤除带外的干扰，减少噪声的影响，得到了高分辨率，高 信噪比，高动态范围的微震信号。
[0013] 步骤3)将经过预处理后的信号与已知电压进行比较，确定信号幅度的范围。预处 理后的信号分为两路，一路输入程控放大器，另一路输入由两个比较器组成的双比较器电 路。将放大滤波电路后的信号经过取绝对值后两路信号均由比较器的反相端输入，当输入 信号的电压大于同相的基准电压时，输出端将输出低电平，反之，则为高电平。然后根据双 比较器电路得到的值来选择PGA (Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器）的放 大倍数。两个比较器输出有3种可能的结果：
[0014] 当Vi> VJt，即经过预处理后信号的电压值高于参考电压的最大值，输出为PCl =0、PC2 = 0〇
[0015] 当VH> V i>八时，即经过预处理后信号的电压值介于两个参考电压之间，输出为 PCI = 0、PC2 = Io
[0016] 当Vi<八时，即经过预处理后信号的电压值小于参考电压的最小值，输出为PCl =1、PC2 = 1。其中，Vi为输入信号的绝对值电压，Vh双比较器电路参考电压的最大值， 为双比较器电路参考电压的最小值，PC1、PC2为双电压比较器输出的低位和高位。
[0017] 步骤4)根据双比较器电路得到的编码调整增益控制放大器的放大倍数，将信号 调整到适合的A/D采样范围。程控放大器的放大增益设置规则如下：
[0018] 当PCl = 0、PC2 = 0时，由于此时的电压值大于两个参考电压，信号较强，为了防 止超出A/D的输入范围，因此通过FPGA (Field - Programmable Gate Array，现场可编程门 阵列）选择程控放大器的放大倍数为1 ;
[0019] 当PCI = 0、PC2 = 1时，由于此时的电压值介于两个参考电压之间，因此通过FPGA 选择程控放大器的放大倍数为10 ;
[0020] 当PCl = 1、PC2 = 1时，由于此时的电压值小于两个参考电压，信号电压很微弱， 此时通过FPGA选择程控放大器的放大倍数为100。
[0021] 步骤5)对信号进行采样和对原信号值进行还原。当信号被放大到适合的范围后 启动A/D转换，由于A/D转换后的数据为串行数据，所以首先要将串行数据转换为并行数 据，并且每个采样值都为放大后的点，所以需要对每个采样值进行还原。
[0022] 数据处理程序可以通过比较器电路产生的编码来对数据增益还原。当采集进行 时，每个采样点数据的放大倍数都是由FPGA通过I/O 口读取比较器电路产生的两位二进制 编码来控制的。由于前置放大器的增益是事先设定的，所以可以通过数据处理程序进行数 据增益还原，即
【主权项】
1. 一种高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，包括 信号处理部分，对电信号进行初步的放大、滤波、调节增益、把模拟信号转换成数字信 号； FPGA处理部分，为了防止超出A/D的输入范围，通过FPGA选择程控放大器的放大倍 数； 电源部分，电源部分为设备供电； 输出部分，将采集得到的数据传输到PC，方便对信号的保存和处理； 信号处理部分与FPGA处理部分、电源部分相连接，FPGA处理部分与电源部分、输出部 分相连接。
2. 根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，所述的信号 处理部分包括前级预处理，程控增益放大器，抗混叠滤波器，A/D转换电路，绝对值电路，双 比较器电路，所述的前级预处理和程控增益放大器、绝对值电路相连接，双比较器电路与绝 对值电路相连接，程控增益放大器与抗混叠滤波器相连接，抗混叠滤波器与A/D转换电路 相连； 双比较器电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接，抗混叠滤波器与FPGA处理部分 的FPGA处理器相连接，A/D转换器与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。
3. 根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，所述的FPGA 处理部分包括FPGA处理器，FPGA处理器与输出部分的RS422接口电路相连接。
4. 根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，所述的电源 部分包括一级稳压器、二级稳压器、比较器电压基准、极性反转，一级稳压器与二级稳压器 相连接，二级稳压器与极性反转、比较器电压基准相连接； 比较器电压基准与信号处理部分的双比较器电路相连接。
5. 根据权利要求1所述的高动态范围的微震信号采集设备，其特征在于，所述输出部 分包括RS422接口电路，RS422接口电路与FPGA处理部分的FPGA处理器相连接。
【专利摘要】本实用新型公开了一种高动态范围的微震信号采集设备，包括信号处理部分，FPGA处理部分，电源部分，输出部分，信号处理部分与FPGA处理部分、电源部分相连接，FPGA处理部分与电源部分、输出部分相连接，适用于大动态范围的微震信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样,精度高、稳定性好，与传统的微震采集系统相比，在相同位数的A/D采样的情况下，具有更高的采样精度，从而降低了对价格昂贵的高位A/D转换器的要求，动态范围大，能适用于强弱不同的微震信号采集，对于弱信号，还具有很高的分辨率，对于随机多变的微震信号，系统能及时调整放大器增益，使信号能无失真采集。
【IPC分类】G01V1-36, G01V1-16, G01V1-28
【公开号】CN204556850
【申请号】CN201520155339
【发明人】张法全, 李宗敏, 王国富, 叶金才, 张海如, 庞成, 韦秦明
【申请人】桂林电子科技大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月19日