第三章数据采集系统基本原理第一节数据采集系统基本组成⒈传感器:将被测的物理量转换成电压信号送至仪器输入电路。
⒉仪器输入电路：传感器与仪器之间的匹配电路，它作为传感器的输出负载必须具有足够高的输入阻抗，同时它的输出信号作为仪器的输入信号，要求它具有非常小的输出阻抗。
仪器输入电路对共模干扰信号具有很强的抑制能力，即具有很高的共轭抑制比。
图3-1 数据采集系统的基本组成框图⒊低噪声前置放大器：对检测到的微弱电信号给以固定增益的放大，由于该放大器位于仪器一系列电路的前端，它的噪声是仪器整体系统噪声的主要提供者，因此任何电子仪器测量系统的前置放大器都必须是低噪声电路。
⒋电模拟滤波器①低切滤波器：用来去除低频干扰信号，在地震勘探工作中低频干扰信号主要是指面波信号。
②高切滤波器：它用来去除高频干扰，在数字信息采集系统中，一般都设置采样开关，这样高切滤波器主要用来去除信号中不满足采样定理的假频成分，假频信号的频率是信号中比折叠频率还高的高频成分。
③陷波器：它用来除去50Hz的工业频率干扰。
⒌多路采样开关：在一个采样周期之内，对全部各路信号按先后顺序分别采样一次，将多路系统转换为单路系统，实现多路合一；同时将连续的模拟信号转换为离散的模拟子样脉冲。
⒍模数转换器：则将每一个子样脉冲电压转换为二进制代码。
⒎数据记录系统：将二进制代码按照国际专业技术组织的规定，进行编排和编码，编排主要是将一定长度的二进制数据编排成便于计算机数据处理的字节形式；编码则是为了数据写读的方便，针对数码“1”和“0”对磁带剩余磁通的变化方式所作出的规定。
第二节 输入电路和低噪声前置放大器一、差动放大器输入电路A 1和A 2的输出分别为V 1和V 2，它们可表示为2111i W FO i W FO V R R V R R V ⋅-⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= ，1221i W FOi W FO V R R V R R V ⋅-⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=放大器A 3具备输入平衡条件，它的输出V 0表示为()()2121021i i f F W FO f FV V R R R R V V R R V -⋅⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-⋅-= 闭环增益为：f F W FO i i F R R R R V V V K ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-=21210由于该电路具有很高的输入阻抗和共模抑制比，许多数字地震仪的输入电路都采用了该形式的电路。
二、低噪声前置放大器 ⒈对前置放大器的噪声要求在没有信号输入（放大器入口接地）的情况下，由于内部噪声源的存在，放大器仍有输出信号，该信号即为放大器的噪声。
把放大器电路输出端测得的噪声有效值n V 除以该电路的增益K ，即得到放大器的等效输入噪声/in n E V K = 。
以三级放大器为例，输出噪声为：3)n V K=等效输入噪声为：123nin V E K K K ==⋅⋅针对集中式地震数据采集系统，前置放大器、滤波器、多路转换开关、浮点放大器（主放）和模数转换器为五个互不相关的噪声源，等效输入噪声为：in E =等效输入噪声反应了仪器实际所能记录的最小信号的幅度V imin （即m i n i i n V E =）。
输入信号一旦小于等效输入噪声，输入信号将被仪器噪声所淹没（即信噪比小于1）。
从上述分析可以看出，系统整体等效输入噪声主要由前置放大器提供，同时较大的前置放大器的增益可以有效减少后继电路噪声的影响。
、3 452 1前 放主 放1:1v 01:11:12．双端输入单端输出型前置放大器电路两个反向器的输出之间的电位差为/i V ，/i V 是以Q 为主的第一级负反馈放大器的输出，放大倍数为：/001221i e i e eV R R RK V R R +===+同时，/i V 又是第二级放大器的输入信号，在输入平衡条件下，第二级放大器的增益为： 222f i R K R =-，放大器总的增益为：2012221f i e R R K K K R R ⎛⎫=⋅=-⋅+ ⎪⎝⎭在下面的第二个电路实例中，放大器的闭环增益为：021e R K R ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭第三节 电模拟滤波器一、 低切滤波器1、二阶有源低切滤波器低切滤波器的作用是消除面波为主的低频干扰，根据节点电位法：()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫'=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++='⎥⎦⎤⎢⎣⎡++S C V V R S C S C V S C V R V V R S C C o o i o oo 22212112111解上方程组可得以拉氏变换形式表示的系统传递函数为()2121221212211R R C C S R C C C C S S S H +⋅++=图3-7 二阶有源低切滤波器令 )(,,12112121221210212120C C R R R C C Q R C C C C Q R R C C +=+==ωω则 ()222ω++=S QS S S H该滤波器的频率响应及其幅频特性为()()()⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫+-=⋅--=22022202202022Q f f ffff H Qj j H ωωωωωω ①令0f =12HZ ，12R R R ==；由上式推得：R=13.27Ω，有Q=0.5 ②令 0f =12HZ ，21RkR =，k=2, 1R =9.38Ω ③令0f =12HZ ，21R kR =，Q=1，求出：k=4, 1R =6.68Ω这样便得到在相同截止频率，不同品质因数下的幅频曲线对比图如图3-8。
2、DFS －V 数字地震仪三阶有源低切滤波器DFS －V 数字地震仪三阶有源低切滤波器如图3-9。
101112 1.0c c c F μ===,统一用c 表示，用节点电慰法列写各节点电位方程组120210021()1()1()i AB BC cS cS V V cS V cS R V cS cS V V cS V cS R R cS V V cS R ⎫++=+⎪⎪⎪++=++⎬⎪⎪+=⎪⎭DFS-V 三阶有源低切滤波器参 数 表由此可以导出拉氏变换形式的系统传递为()C B A CB C A C A R R R C S R R R R C S R R C S S S H 322332131215121+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=上式中的电容C=C 10=C 11=C 12，低切滤波器的截止频率为()3221C B A c R R R Cf π=率（Hz ） RA RBRC率（Hz ）RARBRC 3.5 18.53k 17.51k 142.3k 12 5.490k 5.04k 42.15k 5.3 12.35k 11.34k 94.83k 18 3.660k 3.36k 28.10k 88.230k 7.56k63.22k 272.44k2.24k18.73k它的陡度为18dB/oct 。
该低切滤波器的频率特性曲线如图3-10，从左到右依次是截至频率为 3.5HZ 、5.3HZ 、8HZ 、12HZ 、18HZ 、27HZ 的三阶有源低切滤波器和512HZ 高切滤波器的幅频特性曲线。
二、高切滤波器（去假频滤波器）1、 二阶有源高切滤波器将二阶有源低切滤波器的电阻和电容的位置对调后就得到二阶有源高切滤波器如图3-11所示，由节点电位法：'010011221'02022111()i V V c S V V c S R R R R V c S V R R ⎫⎛⎫++=++⎪ ⎪⎪⎝⎭⎬⎪=+⎪⎭导出传递函数()12122121121211111C C R R H S S S R R C C C R R =⎛⎫+++⎪⎝⎭图3-10 DFS-V 地震仪低切滤波器和512HZ 高切滤波器幅频特性()2022H S S S Qωωω=++可得幅频特性()H f =其中 ()2212121212100,212C R R R R C C Q R R C C f +===ππω 用同样的分析方法，令0f =64HZ:①令1c =2c =1.0F μ，12R R = ，由（3-27）推出：12R R ==2.49K Ω,Q=0.5；图3-12 二阶有源高切滤波器对比②令12R R ==2.49K Ω,21c kc =，，由（3-27）推出：k=0.5, 1c =8.87F μ ③令12R R ==2.49K Ω,21c kc =，Q=1，由（3-27）推出 k=0.25, 1c =2.0F μ用上述三个参数组可以画出相同截止频率，不同品质因数下的二阶有源高切滤波器的幅频曲线如图3-12。
从图中可以看出，在相同截至频率下，Q 值越小，曲线越平滑。
2、DFS －V 数字地震仪去假频滤波器组成原理为了将陡度提高到70dB/oct 以上，DFS －V 数字地震仪采用两个不对称有源双梯网和一个二阶有源高切滤波器级联组成去假频滤波器。
第一级有源双梯网的陷波点接近于折迭频率fn ，第二级有源双梯网的陷波点高出第一级的30%，二阶有源高切滤波器四分之一采样频率。
图3-14 DFS －Ⅴ高切滤波器电路截止频率fc （Hz ） R1(Ω) R2Ω) R3(Ω) R4(Ω) R5(Ω) R6(Ω) R7(Ω) R8(Ω) R9(Ω)32 15128 15128 9416 18370 18370 46066 9550 26460 41640 64 7564 7564 4708 9185 9185 23033 4775 13230 20820 128 3782 3782 2354 4592 4592 11516 2338 6615 10410 256189118911177229622965758119433075205图3-13 DFS－Ⅴ高切滤波器组成框图及其幅频特性曲线电路分析以第一级双梯网络为例它的传递函数为()222120ωωω+++⋅=S QS S K S H其中： ()141314131514130C C C C C C C K ++=，141321211C C R nR =ω，[]14131514133150)(C C C C C R C Q++=ω，[]21141315141320)(1R R C C C C C n ++=ω， 244.111141316213=+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=C C C R R R n 振幅特性为：()22202220221011Q f f f f ff K f H +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⋅= （3-29）陷波点为f 1，f 0为固有频率（0f ＜1f ，例如：截止频率为32Hz 时，R 1=R 2=15128Ω，R 3=9416Ω，故f 0=27Hz ，f 1=63Hz 。
