Цифровая электроразведочная станция Советский патент 1984 года по МПК G01V3/06 

Изобретение относится к техничес кой физике и может быть использовано в геоэлектроразведке методами вы званной поляризации, переходных про цессов и сопротивления. По основному авт. св. № 905994 известна цифровая электроразведочная станция,содержащая входное согласующее устройство,выход которого соединен с входом компаратора,оперативное запом11нающее устройство, выходы которого соединены с информационными входами цифроаналогового преобразов теля, двухпозиционный трехконтактный аналоговый ключ, общий контакт которого соединен с выходом цифроаналого вого преобразователя, а первый и вто рой выходные контакты соединены с6ответственно с входами согласующего устройства и блока обработки сигналов, выход компаратора соединен с входом блока программного управления, а управляющие выходы блока программного управления соединены с адресными, управляюпшми и информациoнны 4и входами оперативного запоминающего устройства и входом управления блока обработки сигналов. Известная станция позволяет получить высокую точность измерений параметров низкочастотных сигналов при значительных величинах наложенных ни них постоянных составляющих благодаря тому, что полезный сигнал вместе с помехой - постоянной составляющей - компенсируется на входе с помощью неградуированного 20-25разрядного цифроаналогового преобразователя, код компенсации многократно записывается в оперативное запоминающее устройство, а затем при обработке сигналов тот же цифроаналоговый преобразователь многократно воспроизводит в другом масштабе времени в аналоговой форме записанный ранее сигнал, этот сигнал фильтруется и с высокой точностью измеряется d . Недостатком известной цифровой электроразведочной станции является ее ограниченное быстродействие, обус ловленное тем, что ступенчато изменяющееся выходное, напряжение в соответствии с 20-25-разрядным кодом, подаваемым на цифроаналоговый преобразователь, поступает на входное согласующее устройство, в состав которого обязательно должны входить масалтабные усилители с автоматическим изменением пределов измерений и фильтрами нижних частот. После каждого ступенчатого изменения выходного напряжения цифроаналогового преобразователя во входном согласующем устройстве возникает переходный процесс,особенно интенсивны при наборе кода старших значащих раз рядов цифроаналогового преобразователя. Так как в процессе комп нсации информация о режиме у 1авновеши- . вания (Больше - меньше ) поступает все время с одного и того же компаратора, то его порог срабатывания должен быть очень низким, например 0,25 мВ, и для обеспечения нормального преобразования входного сигнала в код опрос выходного состояния компаратора должен быть произведен только после того, как сигнал собственного переходного процесса усилителей входного согласующего устройства станет меньшим порога срабатывания компаратора, т.е. меньшим 0,25 мВ. Учитывая то, что при включении старшего значащего разряда на Выходе цифроаналогового преобразователя появляется сигнал 5В (половина максимального выходного напряжения /, получим время переходного процесса во входном согласующем устройстве до десятков-сотен миллисекунд, что в ряде случаев оказывается недопустимым. При этом даже в тех случаях, когда амплитуда измеряемого сигнала оказывается малой, например 10 .мВ, процесс уравновоиивания начинается с включения на вы- ходе цифроаналогового преобразователя максимального напряжения 5В, что также значительно увеличивает время преобразования. Цель изобретения - повышение быстродействия работы цифровой электроразведочной станции. Для достижения поставленной цели в цифровую электроразведочную станцию, содержащую входное согласующее устройство, выход которого соединен с входом компаратора, оперативное запоминающее устройство, выходы которого соединены с информационньми входами цифроаналогового преобразователя, двухпозиционшай трехконтактный аналоговый ключ, общий контакт которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а первый и второй выходные контакты соединены соответственно с входами согласующего устройства и блока обработки сигналов, выход компаратора соединен с входом блока nporpai iMHoro управления, а управляющие выходы блока программного управления соединены с адресными, управляющими и информационными входами оперативного запоминающего устройства и входом управления блока обработки сигналов, введен дополнительный цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, причем входы управления дополнительного цифроаналогового преобразователя, входного согласующего устройства и вход стробирования основного цифроаналогового преобразователя соединены с выходами блока программного управления, вспомогательный информаци онный вход которого соединен с вторым выходом входного согласующего устройства. На фиг. 1 .дана структурная схема предлагаемой станции; на фиг. 2 временная диаграмма ее работы; на фиг. 3 - диаграмма напряжения на выходе входного согласующего устрой ства. Цифровая электроразведочная стан ция содержит входное согласующее устройство 1, к первому входу котор го подключены входные клеммы станции, компаратор 2, к первому входу которого подключен выход согласующего устройства 1, блок 3 программного управления, к входу которого подключен выход компаратора 2, а к вспомогательному информационному входу - выход согласующего устройства 1, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ| 4, информационные входы А, Б, В, адресные входы Г и управляющие входы Д которого соединены с управляющими выходами блока 3 программногоуправления, основной цифроаналоговый преобразователь (ЦАП I 5, информационные входы которого соединены с выходами ОЗУ 4 двухпоэиционный трехконтактный анги говый ключ б,общий контакт которого соединен с выходом ЦАП 5,блок 7 обр ботки сигналов,дополнительный цифро аналоговый преобразователь (ЦАП) 8, - выход которого подключен к второму входу компаратора 2, причем первый и второй выходные контакты ключа 6 соединены соответственно с входами согласующего устройства 1 и блока 7 обработки сигналов, а выходьа блока 3 программного управления соединены также с входами управления сог ласующего устройства 1, блока 7обработки сигналов и дополнительного ЦАП 8 и с входом стробирования основного ЦАП 5. Цифровая электроразведочная стан ция работает следующим образом. В режиме записи ключ 6 по команде из блока 3 управления замыкает общий контакт с первым выходным контактом и таким образом подключает выход основного ЦАП 5 к входу согласующего устройства 1. По следующей команде, вырабатываемой в блоке 3 управления, подается сигнал О на вход стробирования ЦАП 5, и на выходе последнего устанавливается нулевое выходное напряжение. На этом подготовка к началу измереНИИ закончена. На первый вход согласующего устройства 1 подается непрерывно изменяющийся сверхнизкочастотный полезн сигнал с наложенной на негсЗ постоян ной или еще более медленно меняющей составляющей, причем скорость изменения полезного сигнала Б моменты после переключения полярности тока в источнике электромагнитного поля очень большая ( ранняя стадия ВП, процессы становления электромагнитного поля ). Согласующее устройство имеет высокое входное сопротивление, содержит двухвходовой сумматор, на входы которого подаются измеряемый сигнсш с шины Вход и сигнал с выхода ЦАП 5, а также масштабный усилитель с автоматическим переключателем пределов измерений и устройством выборки-хранения на выходе. На следующей команде из блока 3 . во входном устройстве 1 устанавливается такой коэффициент усиления,чтобы сигнал на входе устройства выборки-хранения был оптимальным, т.е. коэффициент усиления должен быть максимальным, но при этсяи выходной усилитель не должен перегружаться (известно нэсколько схем автоматического выбора предела измер-эний, в предлагаемом устройстве может быть использована любая из этих схем ). После выбора предела измерения код коэффициента усиления MacmTa6jioro усилителя с второго выхода со -ласующего устройства 1 поступает на вспомогательный информационный вход блока программного управления и запоминается в нем. По следующей команде из блока 3 во входном устройстве 1 отключается от масштабного усилителя устройство выборки-хранения, на котором фиксируется мгновенное значение амплитуды измеряемого сигнала. Выходное напряжение устройства 1 подается на первый вход компаратора 2, а на второй вход последнего начинает поступать ступенчато изменяющееся напряжение с выхода дополнительно ЦАП, управляемого от блока 3, ЦАП 8 ое ьгчно выбирают 1012-разрядным, а ход сигнала, поступающего на первый вход компаратора 2, определяют методом поразрядного уравновешивания путем поразрядного изменения кода управляющего сигнала, подаваемого с выхода блока 3 на вход ЦАП 8. Выходной сигнал компаратора, поступающий на вход блока 3, указывает на необходимость увеличения или уменьшения выходного напряжения ЦАП 8 до тех пор,пока 12-разрядный код не будет установлен на входах ЦАП 8. Полученный код соответствует амплитуде сигнала на первом входе компаратора 2 . Амплитуда же сигнала, поступающего из земли на первый вход устройства 1, меньше амплитуды сигнала на входе компаратора 2 в число раз, равное коэффициенту усиления масштабного усилителя в устройстве 1. Так как код коэффициента усиления масштабного усилителя был ранее записан в блок 3, то полученный код сигнала ка выходе компаратора 2 преобразуется с учетом кода коэффициента усиления масштабного усилите ля. Преобразованный код,соответ- i ствующий коду сигнала на входе устройства 1, подается на информационные входы А, Б, В ОЗУ 4. По команде поступающей на вход Г управления, где зти коды (12-раэрядный и код псхлярности) записываются в ОЗУ 4 и одновременно поступают на 13 информационных входов ЦАП 5. ЦАП 5 наиболее целесообразно выполнить в вид двух совершенно одинаковых 10-12-Eja рядных преобразователей, выходы которых соединены между собой через сумматор, причем выход сумматора является выходом ЦАП. При этом коэффициент передачи сумматора по вто рому входу устанавливают в 2 раз меньшим, чем по первому{в зависимости от числа llO или 12) разрядов первого преобразователя. В таком случае на 12 разрядных входов первого преобразователя ЦАП 5 подается с выхода ОЗУ 4 грубый код вход нЬго сигнала, а на 12 разрядных вхо дов второго преобразователя с выход ОЗУ - код О. Поэтому после поступ ления команды с блока 3 на вход стробирования ЦАП 5, снимающей блокировку ЦАП 5 (вместо сигнала О поступает сигнал 1 /, на его выходе устанавливается напряжение, близкое к входному сигналу, поступающему на первый вход устройства 1 По следующей команде, поступающей из блока 3, на выходе ЦАП 8 устанавливается нулевое выходное напряжение, коэффициент усиления масштабного усилителя в устройстве 1 устанавливается максимальным, устройство выборки-хранения постоянно подключается к выходу масштабного усилителя. Затем по командам из блока 3 управления начинает изменяться код в следующих 12 разрядах ОЗУ 4, подключенных к разрядным входам второго преобразователя ЦАП 5. Меняя эти ко,цы, методом поразрядного уравновешивания добиваются нулевого напряжения на первом входе компаратора 2. Команды на увеличение или уменьшение кода, устанавливаемого в ячейках ОЗУ 4 и соответственно в 13-25 разрядах ЦАП 5, поступают с выхода ком. паратора 2 на вход блока 3. (по обыч ному принципу Много - мало). При необходимости на каждый такт компен сации входного сигнала устройство выборки-хранения может быть отключе но от выхода масштабного усилителя. Кодирование входного сигнала заканчивается после установления 2024-разрядного кода в ячейках ОЗУ 4 и соответственно на входах ЦАП 5. По окончании цикла кодирования с вы хода блока 3 поступает сигнал переадресовки на адресные входы Г ОЗУ 4 и тем самым устройство подготавливается к следующему циклу кодирования, который выполняется в том же порядке, что и рассмотренный выше, только результат второго кодирования записывается в другие ячейки ОЗУ 4. Обычно заранее известна частота полезного искусственно возбуждаемого в зем.пе электромагнитного поля. Поэтому запись сигналов длится в течение промежутка времени не менее одного периода этого сигнала. По окончании цикла записи ключ 6 устанавливается во второе положение и таким образом выход ЦАП 5 подключается к входу блока 7 обработки сигналов, который целесообразно выполнить точно по такой же схеме,как и в прототипе: в виде двухвходового сумматора, к одному из входов которого подключен выход ключа б, к другому - выход вспомогательного ЦАП, а к выходу - вход градуированного ЦАП. В процессе обработки сигналов по командам с выхода блока 3 начинают циклически с высокой частотой (несколько десятков герц ) подаваться сигналы переадресовки на адресные входы Г ОЗУ 4. При этом на выходе ЦАП 5 будет получен тот же сигнал, который поступал на вход устройства 1 во время записи, но воспроизводиться этот сигнал будет в другом масштабе времени. В процессе обработки вначале с помощью вспомогательного ЦАП в блоке 7 компенсируется постоянная составляющая закодированного сигнала. Для этого выходное напряжение вспомогательного ЦАП изменяется до тех пор, пока на выходе сумматора амплитуда положительного и отрицательного полупериодов не станет одинаковой, что фиксируется по отсчетам аналогоцифрового преобразователя в блоке .7. После этого полученный сигнал преобразуется в цифровой код с помощью градуированного АЦП в блоке 7, который может иметь 10-12 разрядов, а затем обрабатывается с использованием методов цифровой фильтрации. Как и в прототипе, блок 7 может быть выполнен в виде устройства анал.оговой обработки, например селективного милливольтметра, нас1:роекного на частоту измеряемого сигнала, умноженную в число раз, равное масштабу изменения времени воспроизведения одного периода сигнала по сравнению с временем записи. Низкочастотный сихиал Е (фиг. 21 вместе с наложенной на него постоянной составляющей EQ сначала на интервале времени T-J- 12 многократно

кодируется с помощью пре;.лагаемой станции, а полученные коды заносятся в ОЗУ и хранятся там. Затем по истечении периода низкочастотного сигнала цикл кодирования заканчивается и начинается цикл обработки сигналов. Для этого аналоговый ключ 6 устанавливают во второе положение С помощью основного ЦАП 5 многократно в ускоренном масштабе времени цифровые коды преобразуются в аналоговый сигнал, форма которого изображена на интервале времени Tj- Т (фиг. 2 /.

Так как частота воспроизведенного сигнала гораздо выше частоты рабочего сигнала, то с помощью блока 7 обработки сигнала, содержащего избирательные усилители или другие фильтры, легко отделяется ненужная составляющая EQ и выделяются необходимые параметры полезного сигнала

Для того, чтобы воспроизвести без искажений исходный сигнал, необходима достаточно высокая частота кодирования исходного сигнала. В предлагаемой станции подлежащий кодированию в каждом цикле сигнал Е (фиг. 3) на интервале времени Т преобразуется в цифровой код с использованием дополнительного ЦАП 8 и компаратора 2. Так как в данном цикле кодирования ступенчато изменяющийся сигнал на вход блока 1 не поступает (в отличие от пpoтoтипa, то переходной процесс в фильтрах блока 1 не возникает и быстрота кодирования определяется только быстродействием ЦАП 8 и компаратора 2 .

По окончании цикла грубого кодирования полученный с помощью ЦАП 8 код записывается в ОЗУ 4 и затем передается на основной ЦАП 5. Появляющееся на выходе ЦАП 5 напряжение в момент Tj подается на второй вход согласующего устройства 1, на выходе которого появляется сигнал рассогласования Е, амплитуда которого не превышает 5 мВ. После окончания переходного процесса в блоке 1 с помощью ЦАП 5 начинается ступенчатая компенсация сигнала Е методом последовательных приближений (поразрядного уравновешивания/ на временном интервале Т,- Т7 (фиг. 3), Как только напряжение на выходе устройства 1 станет равным нулю, окон,чательный код точной компенсации записывается в ОЗУ. Таким образом, в ОЗУ записывается 25-30-разрядный код, который в цифровом виде не может служить точным кодом истинного значения измеряемого сигнала, так как ЦАП 5 имеет только 10-12 градуированных разрядов. Однако, если на этот ЦАП подать 25-30 разрядный код, то на его выходе будет получен аналоговый сигнал, с высокой степенью точности воспроизводящий исходный измеренный сигнал.

Быстродействие предлагаемой станции достигается тем, что в процессе грубого определения кода сигнала на второй вход блока 1 не поступает ступенчато изменяющееся напряжение.

Предлагаемая станция по сравнению с базовым объектом, в качестве которого принят прототип, имеет почти на 3 порядка большее быстродействие за счет того, что в ней устранены переходные процессы, наблюдающиеся в прототипе в начале процесса уравновешивания при подаче на вход входного согласующего устройства ступеней на« пряжения 5 и 2,5 В.

ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ СТАНЦИЯ по авт. св. 905994, отл и чающа я с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в нее введен дополнительный цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, причем входы управления дополнительного цифроаналогового преобразователя входного согласующего устройства и вход стробирования основного цифроаналогового преобразователя соединены с выходами блока программного управления, вспомогательный информационный вход которого соединен с вторым выходом вход-р ного согласующего устройства. , S (Л с -О5 00 ел ю

i

Н-1lT rr.

ll I I I М I I и I

IM I I I I I I I I 1 j1

-/ л Гз

ГЧ

Фиъ.г

% Тб