一种瞬变电磁信号分段放大电路

本发明涉及地质探测领域，尤其涉及一种瞬变电磁信号分段放大电路。

背景技术：

1、在城市化进程当中，城镇人口连年递增，这造成了城市化建设进程当中用地面积的扩大和土地资源的紧缺，因此开发和利用城市地下空间成了缓解土地资源问题有效手段。较于探地雷达、地震勘探和频率域电磁法探测方法，瞬变电磁法(transientelectromagnetic method,tem)是一种基于电磁感应定律的勘探方法，具有大深度，高穿透，无损探测，灵活性高等优势，目前以广泛应用于地下水、矿产等资源勘探中。

2、瞬变电磁仪器主要由发射-接收线框、发射机和接收机三部分组成。如图1所为瞬变电磁原理图。发射机在发射线圈中通入阶跃电流，当发射线圈中的稳定电流突然关断后，由电磁感应原理可知，发射线圈的电流突然变化将在周围产生随时间变化的磁场，称为一次磁场(简称一次场)。一次场会向四周传播，当传播过程中遇到地质异常体，将在地质体内部激发产生感应电流，也称感应涡流，感应涡流在地下地质体中衰减，从而将产生随时间变化的新的感应电磁场，即二次磁场(简称二次场)。该二次场将包含与矿体相关的地质信息，通过接收机的接收线圈接收二次场的变化规律。对观测的数据进行分析处理，据此反演解释地下导电体的分布概况等信息。

3、其中，放大电路是瞬变电磁接收机的前置电路，放大电路的性能将直接影响接收到的瞬变电磁信号质量，进而影响仪器的精度。在放大电路设计中，要根据不同的应用领域选择相对应的放大电路性能指标。对于瞬变电磁，由于其信号具有早期大，晚期小的特点。对于同一个观测点的瞬变电磁信号而言，从早期到晚期的信号幅值从n×10-1v变到n×10-1μv，如此大的动态范围内的信号一般都要求准确测定。在实际深部勘探应用中，由于工程物探现场环境十分复杂，种类多样强度较大的噪声对信号造成极大的干扰，导致实际采集信号的信噪比较低，尤其是含有地质深部信息的晚期信号直接会被噪声湮灭，严重影响瞬变电磁法的勘探精度与深度。

4、但是由于ad采集电压的有限性，放大电路会设定一个较高的增益，从而使幅度较大的信号在采集时达到饱和状态，所以简单的高增益放大器并不完全适用于高动态信号，并且这也会导致设置增益大时前期信号饱和丢失，造成地质结构相关的潜层信息丢失。

5、目前，对于高动态信号，主要有线性放大电路，线性分段放大电路，非线性放大电路等。线性放大电路可按实际信号大小，用程序改变放大倍数。文章《宽带可变增益放大器的研究与设计》通过采用程序控制放大器，通过多级级联，设计了高增益的放大电路，该电路能自动增益调节，能够采集宽动态范围的信号，由于瞬变电磁信号高动态，早期变化较快，采用模拟开关的程控放大电路往往增益切换速度较慢，无法满足高频信号的采集。在此基础上，分段线性放大电路通过采集同一信号不同放大倍数下的信号，通过归一化、拼接等处理，实现高动态信号的采集。文章《隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现》设计了5连级放大电路，对每级输出进行采集，并通过归一化及拼接实现了瞬变电磁高动态信号的采集。这种方法虽然能很好地放大瞬变电磁信号，但依赖于放大电路增益的准确性，增益不准确将导致后期数据拼接错误，并且多次在软件上完成数据拼接不如硬件上完成分段放大。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种瞬变电磁信号分段放大电路，包括：

2、ad采集模块、滤波模块、控制模块、多通道开关、信号放大模块；

3、所述控制模块采用fpga集成芯片；

4、所述控制模块与多通道开关单向连接，用于控制多通道开关；

5、所述多通道开关与信号放大模块单向连接，用于控制信号放大模块，将信号分段放大。

6、进一步地，所述信号放大模块包括芯片ua201、二极管da_1、电阻ra5、电容ca_1、电阻ra6、电容ca_2、电容ca_3、二极管da_2、电阻rga0、电容ca203、电容ca204、电阻ra211、电阻ra210、芯片ua202、电阻ra202、电容ca206、电容ca207、电阻ra203、电阻ra204、电容ca208、电容ca209、电容ca210、芯片ua203、电阻ra11、电阻ra21、电阻ra31、电容ca202、电容ca211、电阻ra205、电阻ra206、电容ca214、电容ca215、电容ca216、芯片ua205、电阻ra207、电容ca217、电容ca218、电阻ra212、电阻ra213；

7、所述芯片ua201的第1引脚用于接收信号sin-，且与电阻ra5一端、电容ca_1一端、电容ca_3一端相连，电阻ra5的另一端与电容ca_1的另一端相连并接地；芯片ua201的第4引脚用于接收信号sin+，且与电容ca_3的另一端、电容ca_2一端、电阻ra6一端相连，电容ca_2的另一端与电阻ra6的另一端相连并接地；

8、芯片ua201的第1引脚还连接二极管da_1，芯片ua201的第4引脚还连接二极管da_2，二极管da_1和二极管da_2另外两端分别接入电压+2.5v和-2.5v；

9、芯片ua201的第2引脚连接电阻rga0一端，芯片ua201的第3引脚连接电阻rga0另一端，芯片ua201的第5引脚连接电容ca204一端并接入第一隔离电压-2.5v，电容ca204另一端接地，芯片ua201的第8引脚连接电容ca203一端并接入第一隔离电压+2.5v，电容ca203另一端接地；

10、芯片ua201的第7引脚连接电阻ra211一端、电阻ra203一端，电阻ra211另一端与电阻ra210一端、芯片ua202的第2引脚相连，电阻ra210另一端与芯片ua201的第6引脚、芯片ua202的第6引脚相连；

11、芯片ua202的第3引脚连接电阻ra202一端，电阻ra202另一端接地，芯片ua202的第4引脚连接电容ca206一端并接入第一隔离电压-2.5v，电容ca206另一端接地；

12、芯片ua202的第7引脚连接电容ca207一端并接入第一隔离电压+2.5v，电容ca207另一端接地；

13、芯片ua202的第6引脚还连接电阻ra204一端，电阻ra204另一端与电容ca208一端、电容ca210一端、芯片ua203的第3引脚相连，电容ca210另一端接地；

14、电阻ra203另一端与电容ca208另一端、电容ca209一端、芯片ua203的第2引脚相连，电容ca209另一端接地；

15、芯片ua203的第5引脚接入第二隔离电压+2.5v，芯片ua203的第6引脚与电阻ra11一端相连，电阻ra11另一端接地，芯片ua203的第11引脚连接电容ca202一端并接入第二隔离电压-2.5v，电容ca202另一端接地，芯片ua203的第12引脚连接电容ca211一端并接入第二隔离电压+2.5v，电容ca211另一端接地；

16、芯片ua203的第7引脚与电阻ra21一端、电阻ra31一端相连，电阻ra21另一端与芯片ua203的第10引脚、电阻ra205一端相连，电阻ra31另一端与芯片ua203的第9引脚、电阻ra206一端相连，电阻ra205另一端与电容ca214一端、电容ca216一端、芯片ua205的第2引脚相连，电容ca214另一端接地；电阻ra206另一端与电容ca216另一端、电容ca215一端、芯片ua205的第3引脚相连，电容ca215另一端接地；

17、芯片ua205的第5引脚接入第三隔离电压+2.5v，芯片ua205的第6引脚与电阻ra207一端相连，电阻ra207另一端接地，芯片ua205的第12引脚连接电容ca218一端并接入第三隔离电压+2.5v，电容ca218另一端接地，芯片ua205的第11引脚连接电容ca217一端并接入第三隔离电压-2.5v，电容ca217另一端接地；

18、芯片ua205的第7引脚与电阻ra212一端、电阻ra213一端相连，电阻ra212另一端与芯片ua205的第10引脚相连，电阻ra213另一端与芯片ua205的第9引脚相连，芯片ua205的第8引脚与芯片ua205的第9引脚相连；

19、芯片ua203和芯片ua205的第13、14、15、16引脚接收开关信号；

20、芯片ua205的第9引脚输出信号vout-，芯片ua205的第10引脚输出信号vout+。

21、进一步地，第一隔离电压+2.5v由第一隔离电路产生，第一隔离电路包括芯片tra01，+2.5v基准电压接入芯片tra01的第1引脚，tra01的第2引脚接地，tra01的第3引脚产生第一隔离电压+2.5v；

22、第一隔离电压-2.5v由第二隔离电路产生，第二隔离电路包括芯片tra02，-2.5v基准电压接入芯片tra02的第1引脚，tra02的第2引脚接地，tra02的第3引脚产生第一隔离电压-2.5v；

23、第二隔离电压+2.5v由第三隔离电路产生，第三隔离电路包括芯片tra03，+2.5v基准电压接入芯片tra03的第1引脚，tra01的第2引脚接地，tra03的第3引脚产生第二隔离电压+2.5v；

24、第二隔离电压-2.5v由第四隔离电路产生，第四隔离电路包括芯片tra020，-2.5v基准电压接入芯片tra020的第1引脚，tra02的第2引脚接地，tra020的第3引脚产生第二隔离电压-2.5v；

25、第三隔离电压+2.5v由第五隔离电路产生，第五隔离电路包括芯片tra07，+2.5v基准电压接入芯片tra07的第1引脚，tra07的第2引脚接地，tra07的第3引脚产生第三隔离电压+2.5v；

26、第三隔离电压-2.5v由第六隔离电路产生，第六隔离电路包括芯片tra06，-2.5v基准电压接入芯片tra06的第1引脚，tra02的第2引脚接地，tra06的第3引脚产生第三隔离电压-2.5v。

27、进一步地，在电阻ra203和芯片ua203的第2引脚的连线上放置有测试脚pw28，在电阻ra204和芯片ua203的第3引脚的连线上放置有测试口pw29，在电阻ra205和芯片ua205的第2引脚的连线上放置有测试口pw36，在电阻ra206和芯片ua205的第3引脚的连线上放置有测试口pw37。

28、进一步地，多通道开关包括芯片ua208和芯片ua209，芯片ua208和芯片ua209的第1、3、13引脚接入电压+2.5v，芯片ua208和芯片ua209的第2、5、7、12引脚接入电压-2.5v，芯片ua208和芯片ua209的第16引脚接入电压3.3v；

29、芯片ua208的第4引脚连接芯片ua203的第16引脚，芯片ua208的第15引脚连接芯片ua203的第15引脚，芯片ua208的第14引脚连接芯片ua203的第14引脚；

30、芯片ua209的第4引脚连接芯片ua205的第16引脚，芯片ua209的第15引脚连接芯片ua205的第15引脚，芯片ua209的第14引脚连接芯片ua205的第14引脚；

31、芯片ua208的第9引脚连接fpga的m2引脚，芯片ua208的第10引脚连接fpga的m6引脚，芯片ua208的第11引脚连接fpga的l6引脚；

32、芯片ua209的第9引脚连接fpga的m3引脚，芯片ua209的第10引脚连接fpga的m4引脚，芯片ua209的第11引脚连接fpga的m1引脚。

33、本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

34、本文采用仪表放大器设计一款低噪声高增益的分段放大电路，多级压控芯片给放大倍数多重选择，将控制端由瞬变电磁接收机中的fpga去控制，保证在瞬变电磁仪器数据采集过程中能改变放大电路增益，多通道开关将控制端接入fpga，方便增益设置过程对增益快速配置，以满足采集瞬变电磁信号过程中分段放大的要求，减少后续实验人员得到数据后在软件上对数据的操作，提高实验效率。