DE1964202C3 - Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur Schnellaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich liegenden Signalen - Google Patents
Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur Schnellaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich liegenden SignalenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine inehrkaiialige \cistäi leerschaltung
zur Schnellaufzeiehnung von in einem großen Amplitudcnbereich liegenden Signalen mit
automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulicrung.
insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Versiärkerstufen
aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die einzelnen
Ausgangsstufe)! der einzelnen Kanäle, mit einer Einrichtung
zum Festlegen einer Vielzahl zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmter Verstärkungsbereiche
der Verstärkerschaltung, mit einer Einrichtung zur Umwandlung des am gemeinsamen Ausgangsschaltki
eis erscheinenden Analog-Signals in ein korrespondierendes Digital-Signal und mit einer Einrichtung
zum Ableiten eines zweiten Signales, das anzeigt, welcher
der vorbestimmten Verstärkungsbereichc während eines Zeitintcrvallcs, in dem das am gemeinsamen
Ausgangsschaltkreis erscheinende Signal in ein korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt
wird, gewählt wurde.
Signale mit breitem Amplitudcnbereich treten insbesondere in der seismischen Datenverarbeitung auf.
und deshalb werden Vorrichtungen der obengenannten Art besonders für digitale seismische Speichersysteme
gebraucht.
Die Entwicklung von digitalen seismischen FeIdspeichcrgeräten
für breiten Amplitudcnbereich. mit denen man seismische Signale in digitaler Form auf
schnellen Magnetbändern speichern kann, hat die Notwendigkeit von Analogverstärkern mit präzisem
Verstärkungsfaktor und niedriger Verzerrung mit sich gebracht. Derartige Verstärker werden zwischen den
Geophonen und den Analog-Digital-Umwandlern benötigt, um die seismischen Signale exakt innerhalb
eines Amplitudenbereiches, der für die Analog-Digital-Umwandler geeignet ist. zu reproduzieren. Dadurch
wird es möglich, den gesamten Amplitudenbercich des Systems meßtechnisch zu erfassen.
Da seismische Signale üblicherweise einen sehr breiten Amplitudenbereich aufweisen, beispielsweise
in der Größenordnung von 120 db, hat man bisher diese Signale häufig in einen geringeren Bereich komprimiert,
beispielsweise in den Bereich von 78 db, so daß die Signale in einem Analog-Digital-Umwandler
verarbeitet und gespeichert werden konnten. Verschiedene Einrichtungen zur Regulierung des Verstärkungsfaktors
sind benutzt worden, um eine derartige Komprimierung durchzuführen, beispielsweise
benutzte man eine programmierte Regulierung des Verstärkungsfaktors, bei der der Verstärkungsfaktor
langsam zwischen vorgegebenen Grenzen gewechselt wird, im gleichen Maße wie die Durchschnittsamplitude
der seismischen Signale sich verändert. Ein anderes Beispiel eines typischen automatischen Verstärkungsfaktorreguliersystems
verwendet die zeitliche Mitteilung der verstärkten seismischen Energie, um den Verstärkungsfaktor einzustellen. In neuerer Zeit
sind Verstärker entwickelt worden, die einen stufenweisen Wechsel des Verstärkungsfaktors vornehmen
und die in gewisser Weise die Signalamplitude innerhalb eines Zeitfensters des seismischen Speichers ausnutzen.
Eine Art von Verstärkersystemen, bei denen der Verstärkungsfaktor stufenweise geändert wird, ist
allgemein bekannt als Verstärker mit binärem Faktor, wie er /um Beispiel in ilen USA.-Patentschriften
130X392 (McCarter) und 3315233 (Hibbard)
beschrieben wird. Wrst.irkersysteme m\\ stufenweisem
Faktorwechsel sind auch in den USA.-Patentschriften 2967292 (Eisner). 3241100 (Loofbourrow)
und 3264574 (Loolbouri οά ) beschrieben.
Der Erfindung lag insbesondere die Aufgabe zugrunde,
eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine stufenweise Regulierung lies
Verstärkungsfaktors und eine automatische Regulierung des Verstärkungsfaktors in Form einer automatisehen
schnellen digitalen Faktorregulierung für breiten Amplitudenbereich möglich ist und bei der eine
automatische Festsetzung eines optimalen Verstärkungsfaktors,
der auf der augenblicklichen Amplitude des Eingangssignals beruht, realisierbar ist. Erfin-1P
dungsgemäß wird das mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art erreicht, die gekennzeichnet ist
durch einen Multiplexer, von dem ein automatisch ablaufender Abfragezyklus für die einzelnen Kanäle
ausgeht, wobei in jedem Zyklus die Verstärkeraus-2"
gänge jedes Kanals nacheinander über eine gemeinsame Verstärker-Ausgangsstufe an eine Komperalorschaltung
zur Ermittlung, ob das Signal in einem vorbestimmten Amplitudcnbereich liegt, angeschlossen
sind, und durch einen Analog-Digital-Umwandler J5 zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich
liegenden Signale sowie durch vom Multiplexer gesteuerte Schalteinrichtungen zur Schaltung des
nächsten Verstärkerelcmentes bei Nichterreichuns:
des vorbestimmten Amplitudenbereiches durch das vorliegende Signal.
Vorteilhaft kann dabei ein Verstärkersystem mit einem Verstärkernetzwerk vorgesehen sein, einschließlich
einer Vielzahl von Verstärkerstufen und Hilfsmitteln, um eine Vielzahl von progressiv unterschiedlichen
vorbestimmten Verstärkungsfaktorbeiciehen für das genannte Netzwerk einzurichten, ferner
Mittel, um währe nd des sukzessiven Abtastens des Eingangssignals von einem zum anderen dieser Verstärkungsfaktorhereichc
umschalten zu können, während die Signale durch das genannte Netzwerk hindurch
zu einem gemeinsamen Ausgang geleitet werden und außerdem Mittel für wahlweises Aufrechterhalten
eines der vorgenannten Verstärkungsfaktorberciche während eines Haltezcitintcrvalls, das
deutlich länger als das Abtastintervall ist, wenn das zum Ausgang geleitete Signal in einer vorbestimmten
Beziehung zum genannten Bezugssignai steht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
können die Mittel für das Einrichten der progressiv unterschiedlichen Verstärkungsfaktorbereiche ihrerseits
Mittel für wahlweises Verbinden der entsprechenden Kaskadenstufenausgänge mit dem gemeinsamen
Ausgang während des Abtastintervalls enthalten, und die Mittel für das wahlweise Aufrechterhalten
eines dieser Verstärkungsfaktorbereichc können Mittel für das wahlweise Aufrechterhalten der Verbindung
zwischen einem Kaskadenstufcnausgang und dem gemeinsamen Ausgang während des Haltezcitintcrvalls
enthalten.
&° Vorteilhaft wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der genannte gemeinsame Ausgang den die Digitalsignnlc produzierenden Analog-Digital-Umwandler
mit einem digitalen Speicher verbunden. Letzterer speichert die Signalinformation.
f>b die mit dem augenblicklichen Digitalwcrt des Signals
an der gemeinsamen Ausgangsschaltung korrespondiert und mit dem Verstärkungslaktornivcau, mit dem
dav Signal durch das System hindurch übersetzt wird.
ai se V
B ti ß π V
ii ii d η
wobei dieses Niveau bestimmt wird durch denjenigen
Verstärkungsfaktorbereich, der während des Haltezeitintervalls
aufrechterhalten wird, wahrend das Signal an den gemeinsamen Ausgang geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Verstärkersystem für breiten Arnplitudcnbereich
einen Teil eines seismischen Datenverarbeitungssyslem
einschließlich von Hilfsmitteln, um seismische Signalinformationen in den Eingang des
Verstärkersystems einzugeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen
mit den Zeichnungen nährr erläutert, in denen folgendes gezeigt wird.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in »5
Blockform. Es zeigt ein seismisches Datenverarbeitungssystem mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen
Verstärkersystemen für breiten Lautstärkebereich mit automatischer schneller Regulierung des
Verstärkungsfaktors.
Fig. 1 a ist ein schematisches Schaltbild teilweise in Blockform. Es illustriert detailliert einen Teil des
in Fig. 1 gezeigten Systems, nämlich denjenigen Teil
des Systems, das als Element J in F i g. 1 gekennzeichnet ist. »5
Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in
Blockform, das eine andere Art eines seismischen Datenverarbeitungssystems illustriert, wobei dieses System
eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Verstärkersystemen für breite Lautstärkebereiche enthält.
Fig. 2a ist ein schematisches Schaltbild teilweise
in Blockform, das detailliert den Teil der F"ig. 2 wiedergibt, der dort als Element J' gekennzeichnet ist.
Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild in Blockform,
das detailliert die Teile der Systeme der Fig. 1 und 2 wiedergibt, die dort als Detail A gekennzeichnet
sind.
Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in
Blockform, das detailliert die Teile des Systems der F i g. 1 und 2 wiedergibt, die dort als Detail B gekennzeichnet
sind.
Fig. 4a ist ein Diagramm, das die charakteristischen Frequenzen der Schaltung, die in den Fig. 1,
2 und 4 als Detail B gekennzeichnet ist, wiedergibt.
Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild, das detailliertdeninFig.
1 mit C bezeichneten Teil wiedergibt.
Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild teilweise in
Blockform, das detailliert den in den Fig. 1 und 2 mil D bezeichneten Teil des Systems wiedergibt.
F i g. 7 ist ein schematisches Schaltbild in Block- so
form, das detailliert den als E bezeichneten Teil der Fig. 1 und 2 wiedergibt.
Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild in Blockform,
das detailliert den in den Fig. 1, 1 a, 2 und 2a
mit F bezeichneten Teil wiedergibt.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Amplitude eines Signals nach der Verstärkung, die das charakteristische
eines Beispiels eines Verstärkersystems gemäß der Erfindung illustriert.
InFig. 1 ist ein System zur Verarbeitung und Speicherung
seismischer Signale gezeigt, g,, g2 und gp repräsentieren
drei Exemplare einer an sich beliebig großen Anzahl von Geophonen. Geophone sind Vorrichtungen,
die akustische in elektrische Signale umsetzen und an sich bekannt sind. Jedes einzelne dargestellte
Geophon kann in Wirklichkeit seinerseits eine Gruppe oder eine Vielzahl von individuellen Geophonrn
darstellen, deren entsprechende Ausgänge ziisammengeschaltet
sind, um ein gemeinsames Geophonsignal zu ergeben.
Es ist übliche Praxis in der seismischen Erforschung,
eine Anzahl derartiger Geophone in aufeinanderfolgenden Entfernungen von einer Quelle seismischer
Energie dem sogenannten Schußpunkt anzuordnen. Die Geophone ermitteln die akustische
Energie, die vom Schußpunkt ausgehend über verschiedene Wege kommend bei ihnen eintrifft. Die von
den Ausgängen der einzelnen Geophone gelieferten Signale werden in Form einer Kurvenschar in Abhängigkeit
von der Zeit fixiert. In Übereinstimmung mit dem hier im folgenden offenbarten System werden die
Signalinformationen der einzelnen Geophonausgänge in zugeordneten Signalkanälen verstärkt und der
Analog-Digital-Umwandlung zugeführt und dann auf Magnetband gespeichert. Derart auf Band gespeicherte
Signale können, sofern gewünscht, reproduziert oder in die analoge Form rückverwandelt werden
und in Form von Kurven gespeichert werden, so wie es hier offenbart ist. Jedoch ist es von größerer Wichtigkeit,
daß solcherweise digital gespeicherte Signale einer modernen Datenverarbeitungstechnik unterworfen
werden können, wobei Hochleistungsdigitalkomputer und verwandte Einrichtungen eingesetzt
werden können.
Die hier offenbarte Verstärkerschaltung besitzt den weiteren Vorteil, daß es ein Ausgangssignal ausgibt,
das in der sogenannten »Gleitkomma«-Form gespeichert werden kann. Zum Beispiel kann das Ausgangssignal
als ein digitales Wort gespeichert werden, das eine Mantisse und einen Exponenten enthält, so wie
es genauer im folgenden beschrieben wird. Ein derartiges digitales Wort repräsentiert exakt den absoluten
Wert des korrespondierenden Eingangssignals. Durch Speicherung von Gleitkomma-Signalen auf Magnetband
ist es möglich, nicht nur den Relativwert, sondern auch den Absolutwert der Verstärkersignale zu
konservieren.
In Fig. 1 sind die Geophone g,, g2 und g„ an die
Eingänge der ihnen zugeordneten Kanäle 1, 2 und η angeschlossen. Die Kanäle sind im wesentlichen identisch.
Einander zugeordnete Elemente werden durch entsprechende Bezugsziffern beziehungsweise durch
mit diesen Ziffern indizierte Buchstaben gekennzeichnet. Während in der dargestellten Ausführungsform drei Kanäle gezeichnet sind, soll der Kanal η
den letzten einer beliebigen Anzahl solcher Kanäle repräsentieren. In den meisten Fällen enthalten Systeme
zur Verarbeitung seismischer Daten 12. 24 odei
eine noch größere Zahl von Kanälen.
Jeder der Kanäle 1 bis η enthält eine Vielzahl vor
Verstärkerstufen A und B, bis B4. die in Kaskade ge
schaltet sind, ferner eine zugeordnete Schaltung ein schließlich einer gemeinsamen Ausgangsschaltung /
und Mittel für das wahlweise Anschließen des Aus gangs jeder einzelnen Verstärkerstufe an den gemein·
samen Ausgang F, sofern das Signal des Ausgang: dieser Verstärkerstufe zu einer vorgegebenen Be
zugsspannung in bestimmter Beziehung steht. Hierbe wird das Eingangssignal in der unten beschriebenei
Weise in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgeta stet. Jeder der Kanäle 1 bis η ist mit einem Systen
zur Verarbeitung und Speicherung seismischer Signali einschließlich noch zu beschreibender Mi.tel verbun
den, wobei die Ausgänge der einzelnen Kanäle 1 bi η über einen Multiplex zeitlich aufeinanderfolgen!
zugeteilt werden, so daß die Signale der Geophon
#, bis gn verarbeitet und einem einzigen Analog-Digital-Wandler
zugeleitet werden können und schließlich einem hier nicht dargestellten digitalen Bandspeicher.
Jetzt werden die Einzelheiten des Teils der Fig. 1, der den Kanal I enthält, beschrieben. Man erkennt,
daß der Ausgang des Geophons g] mit dem Eingang
der Eingangsstufe A des Kanals 1 gekoppelt ist, wobei die Eingangsstufe A schematisch als Block A dargestellt
und genauer in Fig. 3 als Detail A illustriert ist. Block A enthält eine geeignete Eingangsschaltung wie
einen Eingangstransformator, einen Präzisionsvor- \ erstärker, seismische Filter, eine Abgleichschaltung
für eine Begrenzung nach oben, sonstige Filter und iogische Gatter zur Steuerung des Eingangsabschwächers
EA sowie der Präzisionsvorverstärkerstufe A1.
Dieser Block A erzeugt ein binär kodiertes Signal, das die Gesamtverstärkung dieser Stufe des Systems auf
eine Weise präsentiert, die später genauer beschrieben werden wird. Die Kombination des Eingangsabschwächers
EA des Blocks A und dessen Präzisionsverstärker werden normalerweise von Hand justiert,
um eine vorbestimmte Gesamtverstärkung zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
soll der Verstärkungsfaktor des Blocks A jedoch b sein, so daß Ar addiert bzw. subtrahiert werden
kann zum bzw. vom Exponenten, der durch die folgenden Stufen des Kanals bestimmt wird. Für eine
Ausführungsform dieses Systems ist k = 1 und b = 8. Es ist weiterhin dargestellt, daß der Ausgang des
Blocks A direkt mit dem Eingang des ersten einer Serie von in Kaskade geschalteten Präzisions-Verstärkerstufen
gekoppelt ist, die schematisch als Blöcke B1 bis B4 und genauer als Detail B in Fig. 4 dargestellt
sind. Diese Blocke bieten eine Wechselstromverstärkung mit einem gewissen Basiswert b zum Exponenten
k. Beispielsweise ist k = S. wenn in einer Ausführungsform
b = H und k = 1 ist bei einer Glcichstromverstärkung mit dem Faktor 1. Jede der
Präzisions-Verstärkerstufen ß, bis B4 ist ein nicht invertierender
Breitbandverstärker, dessen Verstärkungsfaktor durch Präzisionswiderstände in seiner
Rückkoppelungsschlcife vorgegeben werden kann, wie unten beschrieben werden wird.
Die Eingänge der Präzisions-Vcrstärkerstufen B1
his B4 sind mit konstanten Spannungsqucllen C, bis
C4 gekoppelt, wobei letztere als Detail C in Fig. 5
ausführlich dargestellt sind. Jede der Begren/ungsschaltungen
C \ bis (\ liefert sowohl positive als auch
negative Gleichstrombezugsspannungen und enthält aus der Elektronik an sich bekannte Mittel zur Begrenzung
des Eingangs der nachfolgenden Präzisions-Verstärkerstufe, um diese vor großen Signalüberspannungen
und Verzerrungen zu bewahren. Obgleich eine konstante Spannungsquellc in Verbindung
mit dem Eingang jeder Präzisions-Verstärkerstufe dargestellt ist. soll bemerkt werden, daß die
Funktion einer derartigen konstanten Spannungsquellc. z. B. den nachfolgenden Verstärker vor Überlastung
zu schützen, auch direkt durch eine entsprechende Ausführung des Verstärkers an sich erreicht
werden kann.
An die jeweiligen Ausgänge der Blocke Λ und B1
bis B4 sind die Blocke /), bis D. gekoppelt. Jeder
dieser Blöcke D1 bis Ds ist eine Hinrichtung zur Bandbreitenbestimmung
und ist ausführlich als Detail /) in Fig. ή illustriert. So ein Block D enthält eine Einrichtung
zur Phasenknmpcnsation. eine {einrichtung zur Kalibrierung des Verstärkerfaklors für präzise
Verstärkung oder Abschwächung und einen Impedanztransformator. In einer Ausführungsform kann
jede dieser Vorrichtungen zur Bandbreitenbestimmung D1 bis D5 Mittel enthalten zur Entfernung der
Gleichstromkomponente aus dem Signal. Jede der Bandbreiteneinrichtungen D1 bis D, enthält auch
Schaltelemente, welche die jeweiligen Ausgänge der Eingangsstufe A und Verstärkerstufen ß, bis B4 von
den Signaleingängen der zugeordneten Blöcke E1 bis
E5 trennen. Letztere sind ausführlich als Detail E in
Fig. 7 illustriert und bedeuten elektronische Schalter. Mit anderen Worten, die jeweiligen Ausgänge der
Bandbreiteneinrichtungen Dx bis D5 sind mit den jeweiligen
zugeordneten Schaltern E, bis E5 gekoppelt.
'5 Jede der Bandbreiterieinrichtungcn D1 bis D5 enthält
auch Mittel, um sie an das jeweilige Gleichstromniveau des gemeinsamen Ausgangs aller Schalter E, bis
E5 anzupassen.
Die Bandbreiteneinrichtungen D1 bis Us bieten
Mittel zum Anpassen der Bandbreite der verschiedenen
Signalwege vom Eingang eines speziellen Kanals bis zum gemeinsamen Ausgang. Beispielsweise können
die aufeinanderfolgenden Signalwege vom Eingang des Blocks A durch die verschiedenen elektronisehen
Schalter E1 bis E5 bis zum gemeinsamen
Ausgang, der das Detail F enthält, egalisiert werden,
so daß die Bandbreiten dieser verschiedenen Wege gleich sind. Vorzugsweise sollen sich die verschiedenen
Bandbreiten aller Signalwegc nach dem längsten
Weg richten, nämlich dem Weg durch die letzte Vcrstärkcrstufe
der Kaskade. Es ist derjenige Weg. dei die Verstärkerstufe B4 und den Schalter E, enthält,
wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht.
Zusätzlich zur Bandbreitenanpassung enthalten
■<5 diese Einrichtungen auch Mittel, um die Phasen dci
verschiedenen Signalwege anzupassen, so daß sie mil der Phase des längsten Weges, wie in oben beschriebener
Weise, übereinstimmen. Es soll bemerkt werden, daß beim Gebrauch linearer Schaltelemente die
4« Phasenegalisierung der verschiedenen Wege auch aiii
eine Bandbreitcnegalisierung hinausläuft'
Die Blöcke D trennen auch die Eingänge der züge
ordneten Blöcke E von den jeweiligen Einsängen dci nachloigenden Blöcke B.
In der illustrierten Ausl'ührunsisform Irifft diese;
natürlich nicht für den Block D, zu, weil keine weiten
Kaskadenstufe folgt, die durch den Block D, von
Schalter E1 /ΛΙ trennen wäre.
In der illustrierten Ausführungsform ist diese
letzte Block D, nützlich für die Anpassung der ver
schicdenen Verstärkerausgangsweue an d;is Gleich
Stromniveau des gemeinsamen Austiarms aller Schal
tcr und ist vorzugsweise tür diesen Zweck vorgesehen
leder der Schalter E, bis E, enthält ein clcktroni
sches HochgcschwindigkcitN-Schaltnetzwcrk ein
schließlich einer oder mehrerer logischer Hingangs gatter fur »ein«- oder »aus«-Zeiten, einer Schaltvor
richtung vorzugsweise in Form eines Feldeffekt-Tran SiSt01S {FET) und einer Steuerschaltung für di<
"» Übersetzung der eingehenden »ein«- oder »aus«-Si
gnale in Signale, welche den Feldeffekt-Transistor be
einflussen.
Die jeweiligen Ausgange jedes Schalters E1 bis E
sind mit dem Eingang cineV Verstärker-Ausgangsstufe
b:> gekoppelt, der schematisch als Block /· dargestellt is
und ausführlich als Detail Ein Fig. S wiedergcgebe:
wird. Es soll betont werden, daß der Hingang der Ver
Marker-Ausgangsstufe F eine gemeinsam«.· Verbin
Jung für die Ausgänge von allen Schaltern E1 bis E5
darstellt, lis sind somit alle Kanäle mit dem Eingang
dieses einen gemeinsamen Blocks F verbunden.
Die Verstärker-Ausgangsstufe F hat eine relativ hohe Eingangsimpedanz. Sie ist vorzugsweise von der
Größenordnung H)7 mal des »eiiie-Widerstandcs des
Feldeffekt-Transistor-Ausgangs des jeweiligen Schalters E1 bis E5. das an den Eingang angeschlossen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die eine Verstärkerstufe vom »Nachfolge«-Typ verwendet, ist die
Ausgangsimpedanz der Verstärker-Ausgangsstufe F im wesentlichen Null und der Faktor davon ist normalerweise
1,000.
Hier soll bemerkt werden, daß eine Kombination
vor irgendeiner Anzahl der vorgenannten äußerst schnellen Schalter, wie E1 bis E5, mit einem einzelnen
Hochgeschwindigkeitsverstärker und Impedanz-Umformer, wie Block F, in der hier offenbarten Schaltung
gemeinsam mit unten beschriebenen Prüfelemcntcn einen Hochgeschwindigkeits-Multiplexer oder Kommutator
darstellt, in welchem relativ billige Schaltelemente, z. B. Feldeffekt-Transistoren mit nicht präzisem
»ein«-Widerstand benutzt werden können, wobei ein wesentlicher Vorteil darin best lit, daß die Schalter
ersetzt werden können, ohne daß die Verstärkerwege neu kalibriert zu werden brauchen.
Der Ausgang des Blocks F ist mit den Eingängen von zwei digitalen Entscheidungseinrichtungen gekoppelt,
die schematisch als Blöcke H und / dargestellt sind. Sie haben die Funktion, zu entscheiden,
ob die Ausg. igsamplitude der Verstärker-Ausgangsstufe
F entweder die positive (Einrichtung H) oder die negative (Einrichtung /) Bezugsspannung (+V
oder - V) überschreitet. Die Quelle für die Bezugsspannung ist schematisch als Block G dargestellt.
Die digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / sind an sich bekannte Schaltungen des Typs, der im
allgemeinen klassifiziert ist als »Spannungs-Vcrglcicher« wie sie beispielsweise auf den Seiten 45 und
46 in »Handbook of Operational Amplifier Applications«, veröffentlicht durch die Burr-Brown Research
Corporation, Tucson, Arizona, 1963, beschrieben sind.
Die Einrichtung (i ist eine bekannte Schaltung desjenigen Typs, den man auf Seite 44 der eben zitierten
Referenz findet.
Die Gleichstromquelle G hat eine Präzisionsspannung mit zwei Ausgängen, von denen der eine eine
positive Spannung gibt, die an die Einrichtung H angelegt
ist und tier andere eine negative Spannung liefert, die an die Einrichtung / angelegt ist. Beide Bczugsspannungender
Gleichstromquelle (λ sowohl die positive als auch die negative, sind vorgegeben. Sobald
das Alisgangssignal lies Blocks Feine der vorgegebenen
Bezugsspannungen überschreitet, entweder die positive oder die negative, wird ein Vergleichssignal
durch die Entscheidungseinrichtung H bzw. / ausgelost und an ein digitales Kontroll- und Multiplexnetzwerk,
das schematisch als Block J gekennzeichnet ist. weitcrgcleitet. Block./ ist ausführlich in Fig. la als
Detail ./ dargestellt. Block ./ seinerseits kontrolliert den Kontrolleingang des entsprechenden elektronischen
Schalters, nämlich des entsprechenden Details E im gesperrten oiler leitenden Zustand und
dann geht da> zu vergleichende Signal durch, so daß
der erwähnte Schalter fur die Dauer eines Abtastvorganges eingeschaltet bleibt, damit die Analog-Digi
tal-Abtasl-und-Halteopenit'iMi in einer unten beschriebenen
Weise vonstatten gehen kann.
Der digitale Multiplexer J funktioniert als Programmierung für die Schalter E, bis E5. Das Netzwerk
reagiert auf ein Synchronisiersignal, das heißt auf eineu »sync«- oder »go«-lmpuls, das über den »sync«-
Eingangskanal von einer geeigneten digitalen Uhr hergeleitet wird. Beispielsweise kann der »sync«-Impuls
vom Analog-Digital-Wandler kommen. Als Reaktion auf solch einen »sync«- oder »go«-!mpuls
ίο schaltet der Multiplexer J in zeitlicher Folge die aufeinanderfolgenden
Schalter E1 bis Ev Das System
kann so eingerichtet sein, daß es die Schalter entweder abwärts oder aufwärts in der Folge kontrolliert, /,. B.
von E, bis E5 oder von E5 bis E1. Die bevorzugte
Art der Arbeitsweise wird später diskutiert werden. Nehmen wir an, daß das System so programmiert ist,
daß es die jeweiligen Schalter E1 bis E5 z. B. des Kanals
1 kontrolliert und danach die Kanäle 2 bis /1 durchgeht. Im Verlaufe des Kontrollierens des Kanals
1 wollen wir annehmen, daß der Schalter E1 eingeschaltet
ist, infolge der Wirkung des Kontrollsignals S1 vom digitalen Multiplexer J, welches seinerseits auf
einen »sync«- oder »go«-Impuls vom Analog-Digital-Wandler AD reagiert hat. In diesem Augenblick
wird ein in den Eingang des Geophons ^1 eingegangenes
Signal durch die Eingangsstufc A geleitet, von dort durch die Bandbreiteneinrichtung D,, dann weiter
durch den eingeschalteten Schalter E1 zum gemeinsamen Ausgang, der die Verstärker-Ausgangsstufe
F enthält, welcher seinerseits ein Signal gleichzeitig an die digitalen Entscheidungseinrichtungen
H und / abgibt, welche das eingegangene Signal mit der positiven und negativen Bezugsspannung + V
und — V vergleichen, die von der Gleichstromquelle C7 geliefert wird. Wenn das eingegangene Signal
in seiner Amplitude entweder die positive an H anliegende Be/ugsspannung oder die negative an /
anliegende Bezugsspannung überschreitet, wird das Durchtcsten, das durch den Multiplexer J gesteuert
4" wird, gestoppt, womit der Schalter E, während des
restlichen Zyklus eingeschaltet gehalten wird, so daß das Ausgangssignal durch den Block F zum Analog-Digital-Wandler
und zur digitalen Kontrollogik geleitet werden kann, deren Arbeitsweise noch genauer
erläutert werden wird.
Jetzt soll noch einmal zur Arbeitsweise des Multiplexers
J zurückgekehrt werden. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Situation soll jetzt angenommen
werden, daßdas Schaltnetzwerk E1 momentan einge-
5" schaltet ist nls Reaktion auf ein Signal vom digitalen
Multiplexer J und daß der Ausgang der Verstärker-Ausgangsstufe
F weder die positive noch die negative Bezugsspannung, die von der Gleichstromquelle C
geliefert wird, überschreitet. In diesem lall wird dei
Multiplexer J den Schalter E1 ausschalten und dci
nächsten darauffolgenden Schalter H2 einschalten
Das Signal, das zu dem zweiten Schalter H1 geleite
worden ist. wird dann in der gleichen Weise geteste werden, wie das Signal, das durch ilen ersten Schalte
ßo E, gegangen ist. So werden die gleichen Vergleich«
mit der positiven und negativen Bezugsspannung an gestellt werden, um /u bestimmen, ob der Multiple
xer J dem /weiten Schalter E. in eingeschalteter Siel
lung haiicii soll oder nicht oder ob durch den ganzci
Zyklus das Testen hindurch fortgesetzt werden sol1 bis ein Sicnal durch einen \on ilen Schaltern E1 bi
Es angeliefert wird, das die positive oder negative Be
zugspannung überschreitet 1 lir den lall, daß die·»
Bedingungen durch den ganzen Zyklus hindurch nicht erfüllt werden, uaß also der Multiplexer J die Schalter
E1 bis E5 kurzzeitig vorübergehend eiiiNchaiiei, ohiic
daß ein Signal an H oder /, das die vorgegebenen Bezugsspannungen überschreitet, angeliefert wird, wird
der Zyklus am fünften im eingeschalteten Zustand befindlichen Schalter E5 gestoppt. Der Zyklus wird erneut
beginnen, als Reaktion auf den nächsten »syncc-
oder »go«-Impuls, der in den Multiplexer J eingeht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfonn ist die für
die Entscheidung über irgendeine Stellung der Schalter E1 bis E5 erforderliche Zeit ein Minimum von einer
halben Mikrosekunde.
Jedem »sync«- oder »go«-lmpuls, der in den Multiplexer
J eingeleitet wird, ist ein zweites Signal zugeordnet, und zwar ein Kanalnummerimpuls, welcher
einen Satz von Schaltern in einem speziellen der Kanäle
1 bis η auswählt.
Der Multiplexer J enthält auch den Exponentenaddierer sowie Mittel für die Zuteilung der den Exponenten
entsprechenden digitalen Signale K1, K2, K^
zum digitalen Speicher. Diese Signale werden vom Ausgang des Multiplexer J zum Block AD, der den
Analog-Digital-Wandler und die Kontrollogik enthält,
geleitet und von dort zur Aufzeichenvorrichtung des in der Abbildung nicht datgestellten digitalen
Bandspeichers. Die digitalen Exponentensignale K1, K2 und K7. liefern dem Analog-Digital-Wandler Informationen
über die Größenordnung des gesamten Verstärkungsfaktors des Verstärkersystems, wie es
durch den Block A gefordert worden ist. Mit anderen Worten, das von der gemeinsamen Verstärker-Ausgangsstufe
F zum Analog-Digital-Wandler geleitete Signal enthält den Wert des verstärkten Signals innerhalb
eines gewissen Bereichs, nämlich die Mantisse. Die digitalen Exponenten-Signale geben den Exponenten
des Verstärkungsfaktors, mit dem das Signal verstärkt worden ist und welcher durch die Konfiguration
der Schalter £, bis E5 bestimmt wird, von denen
nur ein einziger eingeschaltet und für das dem Analog-Digital-Wandler zugelieferte Signal verantwortlich
ist.
Es soll bemerkt werden, daß durch diese Art der Aufzeichnung auf dem Magnetband des nicht dargestellten
Speichers in Form einer digita'en Gleitkomma-Zahl, d. h. in der Form von Mantisse und Exponent,
es ermöglicht wird, die absolute Amplitude des seismischen Signals, wie es vom jeweiligen Geophon
erzeugt wird, zu fixieren.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Analog-Digital-Wandler einen Abtast- und Haltestromkreis enthält
und auch eine Quelle für echte Zeitimpulse. Der Abtast- und Haltestromkreis garantiert einen hinreichenden
Zeitraum für das Abtasten des angelieferten Signals und für dessen Analog-Digital-Wandlung zum
Zwecke der Speicherung in digitaler Form auf einem geeigneten nicht dargestellten Speicher, der an den
Ausgang des Analog-Digital-Wandlers angeschlossen ist. Der Speicher kann irgendeine geeignete Vorrichtung,
etwa ein digitaler Bandspeicher, sein.
Die Arbeitsweise des Multiplexers J kann besser an Hand der I-ig. 1 a verstanden werden, in der die
den Multiplexer J bildenden Elemente innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rahmens enthalten sind. Eines
dieser Elemente ist ein »ausschließlich odcr«- Gatter OCJ, an das die Ausgänge der zwei digitalen
Entschcidungscinrichtungen /Y und / angeschlossen
sind Das aussdiiicBlich odcr«-Cialtcr OG ist eine
an sich bekannte Schaltung, die nur dann ein Au>
gangssignal abgibt, wenn die beiden Eingangssignal digital voneinander verschieden sind. Ein \om -auschließlich
oder«-Gatter OG ausgehendes Signal, da
einer Kombination aus dei Entscheidungseinrich
lung H und der Entscheidungseinrichtung / ent
spricht, wird einem als »Auslösung 1« bezeichnete ersten Eingang einer Amplitudengedächtnislogik Mi
zugeführt, welche eine an sich bekannte Schaltung W, die im wesentlichen aus Flip-Flops bestehen. Die Am
plitudengedächtnislogik ML enthält noch einen /uii
ten als »Auslösung 2« bezeichneten Eingang, dem e: Zeitsignal vom ersten Ausgang eines Zeitdekodierrc
gisters ZR zugeführt wird, welches eine übliche Sehn!
'5 tungfür Binär-Dezimal-Wandlungen ist. wie sie zun
Beispiel in »Digital Computer Primer« von E. M McCormick beschrieben wird, speziell do« uui Sciu
135 (veröffentlicht durch McGraw-Hill Book Con; pany. Inc., New York. 1959). Das Zeitdekodieiregi
ster ZR besitzt auch einen zweiten und dritten Au·-
gang, jus denen »Set«- und »ReseK-Signalc den
zweiten und dritten Eingang der Amplitudengedächi nislogik AYLzugeführt werden. Das Zeitdekodierregi
ster ZR wird programmiert von Signalen, die aus ei nem »teile durch 32«-Füp-Flop-Zähler FC kommen
welcher mit seinem ersten Eingang an eine Bezugsfix quenzquelle CL für Zeitimpulse mit konstanter Ire
quenz angeschlossen ist, die in der Abbildung hei spielsweise als eine 1,024 MHz-Uhr dargestellt ist
Der »teile durch 32«-Flip-Flop-Zähler ist ebenfall eine an sich bekannte Schaltung für die Lieferung \oi
32 möglichen Zeitimpulsen. In der illustrierten Aus führungsform ist es nämlich erwünscht, einen Ar
beitszyklus von nominell 31 Mikrosekundenzu haben und die Möglichkeit zu haben. Impulse auszuwählen
die innerhalb von Intervallen mit einer nominelle! Dauer von 1 Mikrosekunde liegen. Der »teile durcl
32«-FIip-FIop-Zähler enthält eine nicht dargestellte »reseU-Schaltung und einen zweiten Eingang für die
Aufnahme von »reset«-Signalen von einer Quelle fm »go«- oder »synce-Impulse, welche wie in Fig. 1 dar
gestellt, durch den Block AD, der den Analog-Digital-Wandler
und die Kontrollogik enthält, gegeben ist Die Amplitudengedächtnislogik ML ist mit ihrem
Ausgang an den ersten Eingang Γ eines »Und«-Gatters UG angeschlossen. Der zweite Eingang 2' diesem
»Und«-Gatters CG ist an einen Ausgang des Zeitdekodierregisters
ZR angeschlossen, durch den ein »stelle Schalterzähler weiter«-Signal geführt wird
Das »Und«-Gatter UG kann eine an sich bekannte Schaltung sein, die nur dann anspricht, wenn gleichzeitig
zwei geeignete Signale durch ihre Eingänge 1 und 2' eingehen und dann ein Ausgangssignal liefert.
welches dem Eingang 1" eines Schalterzählers SC z.ugeführt
wird. Der Schalterzähler SC ist eine an sich bekannte Schaltung, die im wesentlichen aus einer
Vielzahl von Flip-Flops in Kaskadenschaltung besteht. Der Eingang 2" des Scha'terzählers ist mit einem
vierten Ausgang des Zeitdekodierregisters ZR verbundcn
und erhält von diesem ein '>reset«-Signal. Der Schalterzähler .SC enthält eine Vielzahl von
Ausgängen, von denen drei zeichnerisch dargestellt sind, für die Zuleitung von die Exponenten darstellenden
Signalen -Y1, X7 und A', zu den entsprechenden
Eingängen des Exponentenaddierers ES. Der Exponentenaddierer ES enthält darüber hinaus eine Vielzahl
von zusätzlichen Eingängen, von denen drei zeichnerisch dareestellt und mit V,.
>'■ und V. be
ίο
zeichnet sind, für die Aufnahme von Binär-Signalen
>om Block A, die der Gesarr -verstärkung entspre-
:hen. Der Exponenienaddierer £5 enthalt seinerseits :ine Vielzahl von Ausgängen, von denen drei zeichnerisch
dargestellt und mit K1. K, und K, bezeichnet
sind. Diese Ausgänge sind identisch mit den Ausgängen der Fig. 1, die dort von dem Multiplexer J ausgehen
und in Fig. I ebenfalls mit K1, K, und K3 bezeichnet
sind. Der Exponentenaddierer £5 ist eine an sich bekannte Einrichtung, die aus einer Vielzahl
von Flip-Flops besteht und aus »Und«- sowie »Odera-Gattern. Seine Funktion besteht in der Addition
und Speicherung der durch die Eingänge eingehenden Signale, sobald das >Addierexponenten«-Signal
gegeben wird.
Die dem Exponenten entsprechenden Signale λ",, X-. und Λ', werden vom Schalterzähler SC, wie in
Fig. la dargestellt, den entsprechenden Eingängen einer Steuerschaltung VM zugeleitet. Die Steuer-
Ausgängen
ausgehenden Signale werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist, den Schaltern /:, bis E5 des ersten Kanales sowie
den Schaltern E1 bis , des zweiten Kanals usw. und
schließlich den Schaltern E1 bis E5 des /i-ten Kanals
zugeführt. Die letztgenannten Signale steuern oder programmieren die Schalter E1 bis E5.
Die Steuerschaltung VM enthält ferner eine Vielzahl von Eingängen für das Empfangen von Kanalnummersignalen,
die vom Block AD geliefert werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Aufgabe der Kanalnummersignale
besteht darin, die Funktion der Steuerschaltung VM derart zuzuordnen oder zu synchronisieren,
daß die Kanalprogrammiersignale in der gewünschten Reihenfolge auftreten. Die Verstarkerschaltlogik-
und Multiplexvorrichtung VM ist eine übliche Schaltung für die Binär-Digital-Wandlung.
Die Steuerschaltung VM steuert oder programmiert also die Reihenfolge, in der die Schaltsignale
S1 bis S5 angewendet werden und mit denen die Schalter
E1 bis E5 der verschiedenen Kanäle 1 bis η geschaltet
werden.
Die Steuerschaltung VM ist so programmiert, daß sie in einer zeitlichen Aufeinanderfolge zuerst alle
Schalter E1 bis E5 des ersten Kanals, dann alle Schalter
E1 bis E5 des zweiten Kanals usw. und schließlich
alle Schalter E1 bis E5 des »-ten Kanals durchgeht.
Die soeben beispielhaft aufgezählte Schaltreihenfolge, die beim Kanal 1 beginnt und beim Kanal η endet,
kann jedoch auch eine andere sein. In jedem Fall wird die Reihenfolge der Kanäle durch die Kanalnummersignalc
bestimmt, die dem Multiplexer J zugeführt werden, und welche eine Funktion der vom
Block AD gelieferten Signale ist, wie sich aus Fig. 1 ergibt.
Jetzt wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine
andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, welche im wesentlichen der von Fig. 1
gleicht, sich jedoch in den Mitteln für das Multiplexen unterscheidet. In der Ausführungsform der Fig. 2
wird das Multiplexen durch einen gemeinsamen Kanal-Multiplexer
KM ausgeführt, wobei die Steuerung von einem modifizierten digitalen Multiplexer übernommen
wird, das als Block J' dargestellt ist und ausführlicher in der Fig. 2a als Detail J' bezeichnet ist.
Während die Ausgänge der einzelnen Kanäle 1 bis 2der Ausführungsform der Fig. 1 alle an den Eingang
einer gemeinsamen Verstärker-Ausgangsstufe E angeschlossen sind, ist in der Ausführungsform der
Fig. 2 für jeden dci Kanäle 1 bis r, eine separate Verstärker-Ausgangsstufe
F vorgesehen. Die jeweiligen
Ausgänge einer jeden dieser separaten Verstärker-Ausgangsstufen F sind an die entsprechenden Eingänge
des Multiplexers KM angeschlossen, dessen gemeinsamer Ausgang an die zugeordneten Eingänge
der digitalen Entscheidungseinrichtungen H und /
ίο zwecks Vergleich mit einer Bezugsspannung ( +- V.
— V) in der für die Ausführungsform der Fig. 1 beschriebenen
Weise angeschlossen ist.
Der Multiplexer KM der Fig. 2 enthält zusätzlich noch einen Eingang für ein »sync-Signal, der an den
Ausgang des Blocks AD angeschlossen ist. Das »sync«-Signal synchronisiert die Arbeitsweise des
Multiplexers KM. Dieser ordnet die von den Kanälen 1 bis /i ankommenden Signale nach Maßgabe von
Synchronisieriinpulsen in eine zeitliche Reihenfolge
»ο ein. er verbindet die Ausgänge der einzelnen Kanäle
in einer ausgewählten Reihenfolge über die digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / mit einem modifizierten
digitalen Multiplexer J'. dessen Details ausführlicher in der Fig. 2a dargestellt sind.
Der modifizierte Multiplexer J' ist im wesentlichen identisch mit dem digitalen Multiplexer /der Fig. t a.
Es unterscheidet sich von diesem jedoch in der Verstärkerschaltlogik,
auch in der Schalt- und Kanaldekodierlogik. In dem digitalen Multiplexer y der Fig. 1
und 1 a sind in der Steuerschaltung VM Mittel für die Ausführung der Multiplexer-Funktion nach Maßgabe
der vom Block AD eintreffenden Signale vorgesehen. In dem modifizierten Multiplexer J' der
Fig. 2a ist demgegenüber keine solche Vorrichtung
für das Multiplexen vorgesehen. Hier wird das Multiplexen von einem separaten Multiplexer, wie es in der
Fig. 2 gezeichnet ist, vorgenommen.
In dem System der Fig. 2 und 2a enthält die Verstärkerschaltlogik lediglich Eingänge zum Empfangen
der Schaltzählersignale A',, A': und A\, außerdem ist
sie mit nur einmal fünf Ausgängen, die S1 bis S5 bezeichnet
sind, ausgerüstet. Jeder dieser Ausgänge ist an die entsprechenden Schalter E1 bis E5 aller Kanäle
gemeinsam angeschlossen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses in anderen Worten: In der Ausführungsform der Fig. 2 mit dem in Fig. 2a dargestellten modifiziertem
Multiplexer J' werden die gleich bezifferten Elemente E1 bis E5 sämtlicher Kanäle von 1 bis
η gleichzeitig geschaltet durch ein Schaltsignal, das
von dem modifizierten Multiplexer J' kommt. Beispielsweise schultet ein Schaltsignal S1 gleichzeitig die
Schalter E1 sämtlicher Kanäle 1 bis n. Ein Schaltsignal
S2 schaltet gleichzeitig sämtliche Schalter E1 der Kanäle
1 bis η usw.
Der Kanal-Multiplexer KM der Fig. 2 teilt jeweils
selektiv nur einen einzigen Kanal zur Zeit, den digitalen Entscheidungseinrichtungen H und / und gleichzeitig
dem Analog-Digital-Wandler im Block AD zu. Das heißt, der Kanal-Multiplexer KM läßt Signale se-
»c lektiv passieren, die vom Kanal 1 kommen, während
der vollständigen Zeitperiode, in der der digitale Multiplexer J' die Signale S1 bis S5 durchprüft, um den
Kanalschaltzyklus vom Schalter E1 bis zum Schalter
E5 durchzuprüfen. Danach unterbricht der Kanal-
«5 Multiplexer KM seinen Eingang für den Kanal 1, um
Zeit für die Abtast- und Halteoperation in dem Block AD zu reservieren und läßt selektiv das Signal des
Kanals 2 /u den digitalen Entscheidungseinrichtun-
gen H und / und zum Block AD für ein Zeitintervall passieren, da:>
wieder ausreichend ist, um dem digitalen Multiplexer J' das Durchprüfen des ganzen Zyklus
der Schaltsignale S, bis S2 und damit der Schalter E1
bis E5 des Kanals 2 zu ermöglichen, danach wird wieder Zeit für die Abtast- und Halteoperationen gewährt.
In gleicher Weise läßt der Kanal-Multiplexer
KM selektiv alle aufeinanderfolgenden Kanäle passieren, bis durch zum Kanal «.Jeder Kanal wird dabei
von dem Kanal-Multiplexer im wesentlichen nur für das Zeitintervall offengehalten, das erforderlich ist.
damit der digitale Multiplexer J' die ganze Folge der Schaltsignale S1 bis S5 durchprüfen kann, zusätzlich
der Zeit, die erforderlich ist, um die Abtast- und Halteoperationen durchzuführen. Nachdem der Kanal-Multipiexer
KM in der hier beschriebenen Weise alle Kanäle von 1 bis η durchgegangen ist, beginnt er damit
wieder von vorne.
Innerhalb des gestrichelten Rahmens der Fig. 3 ist der Block A ausführlich dargestellt. Ein Eingangsabschwächer
ist über einen Auswahlschalter SH' an einen Ausgleichsschalter HL und an einen Eingangstransformator ET angeschlossen. Der Auswahlschalter
SH' ist mit einem Stufenverstärkungs-Kontrollschalter SV gekoppelt und gestattet, wahlweise den
Eingangsabschwächer zu umgehen, mittels einer vom Geophon zum zweiten Pol des Schalters führenden
Leitung UL.
Der in Blockform dargestellte Eingangstransformator £7"kann geeignete übliche Eingangs- und Ausgangswicklungen
enthalten, wobei die letztere mit dem Eingang des Vorverstärkers Ax verbunden ist.
Der Eingangstransformator E7'dient zur Isolation des Geophons und des Eingangskabels vom Vorverstärker
A ι und von den darauffolgenden Schaltelementen,
wobei jedoch die Anwendung einer üblichen Brükkenausgleichtechnik oder Ausfiltertechnik nicht unterbunden
wird, sofern unerwünschte Energien überspielt oder ausgemerzt werden sollen, wie die M)
Hertz-Interferenz infolge eines induktiven und kapazitiven Effekts am Verstärkereingang. Derartige unerwünschte
Signale können mittels der Ausgleichsschaltung zurückgehalten werden.
Der Präzisionsstufen-Vorverstärker A, ist vorgesehen,
um die gewünschten Eingangssignale ausreichend zu verstärken, damit das Niveau des unerwünschten
Eingangsrauschens der dieser Stufe folgenden aktiven Filter überschritten wird. Filter sind,
wie in Fig. 3 dargestellt ist, in Reihe an den Ausgang des Verstärkers /I1 in folgender Reihenfolge angeschlossen.
Erst ein einstellbarer Tiefpaß-Filter LF, dann ein einstellbarer Hochpaß-Filter HF und
schließlich ein einstellbarer Filter AF für sonstige Frequenzen.
In einer Ausführungsform kann der Verstärker /4, des Blockes A einen Verstärkungsfaktor
von 8,0 insgesamt aufweisen, oder irgendeinen anderen vorbestimmten Faktor, wenn der Eingangsabschwächer
EA in die Schaltung mittels des Schalters SW eingeschaltet ist.
Es sind Mittel vorgesehen, um den Gesamtverstärkungslaktor
des Blockes A einzustellen, einschließlich der Stufenverstärkungskontrolle SK die manuell
eingestellt werden kann und die in einer bevorzugten Ausführungsform mit Mitteln ausgerüstet ist, die in
Fig. 3 als »Stufe A Verstärkungslogik« GL bezeichnet sind. Letztere dienen der Herausgabe der dem
Gesamt verstärkungsfaktor des Blockes A entsprechenden Signale V1, V, und Y. in binärer Form, die
über geeignete Leitungen dem digitalen Multiplexer J bzw. J' zugeführt werden. Genauer gesagt, werden
diese dem Verstärkungsniveau des Blocks A entsprechenden Signale den Eingängen V1, Y2 """ ·'.<
'-es
Exponentenaddierers £S in den digitalen Multiplexer J bzw. J' zugeführt, wie es in den Fig. la bzw.
2a dargestellt ist. Die Funktion dieser Verstärkungsfaktorniveausignale
V1, V- und V, besteht darin, den Exponentenaddierer £S so einzustellen, daß seine
ίο Exponentenausgangssignale automatisch so bemessen
werden, daß in ihnen das Ve;rstärkungsfaktorniveau des Blockes A berücksichtigt ist. Für den Fall, daß
der Block A einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor verschieden von H aufweist, wird es notwendig,
zusätzliche digitale Signale zum oder vom Exponentenaddierer ES zu leiten.
Obgleich das offenbarte System Mittel enthält für die automatische Einführung des vorbestimmten Verstärkungsfaktorniveaus
des Blockes A in den Expo-
nentenaddierer £5, um die Exponentensignale auf das
cn;- prechende Verstärkungsfaktorniveau am Eingang
einzustellen, ist es auch beabsichtigt, daß der Exponentenaddierer
ES manuell eingestellt wird, damit das manuell eingestellte Verstärkur.gsfaktorniveau der
Einj,anjoelektronik berücksichtigt werden kann. Es
soll bemerkt werden, daß der Gesamtverstärkungsfaktor der Eingangsstufe A in an sich bekannter Weise
eingestellt werden kann. Z. B. kann er eingestellt werden durch einen in der Figur nicht gezeigten geeigne -
ten Spannungsteiler im Eingangsabschwächer EA
mittels einer Methode, die derart gestaltet ist. daß die Eingangsimpedaiizerhalten bleibt, sowie durch geeignete
Einstellung der nicht dargestellten Rückkoppelung in dem Präzisionsverstärker /-I1, indem dessen
Verstärkungsfaktor eingestellt wird. Es wird weiterhin bemerkt, daß die Einstellung des Eingangsabschwächers
ES und des Verstärkungsfaktors des Präzisionsverstärkers /-I1 mechanisch synchronisiert oder gekoppelt
werden kann. In anderen Worten stellen die digitalen Verstärkungsniveausignale vom Block A
Hilfsmittel dar. mittels derer die logischen Gatter des Exponentenaddierers ES in den Stand versetzt werden,
die Schaltung des Blockes A abzufragen und die Exponentensignale demgemäß in bekannter Weise
einzustellen, wie es in Fig. 3 durch die entsprechenden
gestrichelten Linien angedeutet wird, die vom Eingangsabschwächer EA und vom Präzisions-Vorverstärker
A) zum Schalter SV führen. Darüber hinaus
kann die Einstellung der Verstärkungsniveaukontrolle des Blockes A in üblicher Weise mit dem
Exponentenaddicrer £S verbunden werden, wie durch geeignete elektrische Verbindungen, die die
Position des Schalters SW anzeigen, gemeinsam mit konventionellen Mitteln, wie die »Stufe A Verstarkungsiogik«
GL. Mit ihnen werden geeignete binäre Signale V1, V% und V, hergeleitet, die repräsentativ
für die Stellung des Schalters S V sind und andererseits das vorgegebene Verstärkuiijisniveau der Eingangsstufe A wiedergeben. Die ein/einen Blöcke A der
Kanäle 1 bis η sind gewöhnlich im wesentlichen au)
gleichem Verstärkungsfaktorniveau. Demgemäß wird man die Schalter SK die die Verstärkiingsniveaujustierung
der einzelnen Kanäle 1 bis /1 darstellen, gewöhnlich auf die gleichen oder einander cntspiechenden
Niveaus einstellen und sie zweckmäßigeiweise
miteinander synchronisieren oder koppeln, etwa durch eine geeignete mechanische Koppelung von einem
Kanal zum anderen. In solch einem Falle ist e*-
forderlich, die »Stufe A - Verstärkungslogikv GL
η einem einzigen der Kanäle vorzusehen, zwecks Aheabe eines Signals über das Verstärkungsniveau
H Blockes A zum digitalen Multiplexer J bzw. f.
nie Koordination der Verstä-kungsniveaus. der
Rl ke A der einzelnen Kanäle 2 bis η mit dem Vertärkungsniveau
des zum Kanal 1 gehörigen Blok-' A ist illustriert durch die gestrichelt-n Linen, die
r Blöcke A der Kanäle 2 und η mit der Linie veriVden,
<S>fc die Signalleiiung bedeutet, durch die die
C nale des Verstärkungsniveaus des Blockes A des
Kanals 1 zum digitalen Multiplexer J bzw. f geleitet
werden (vgl· ^g- ! bzw· FiS· 2)·
Die Fig. 4 stellt das Detail B dar und zeigt einen
nsistorisicrten Breitbandarbeitsverstärker AV in
"icht invertierender Konfiguration. Der Präzisionsverstärkungsfaktor wird gegeben durch die Präzisionswiderstände
R1 und R2 des R'kkkoppelungs-■etzwerkes.
Der in Fig. 4a mit /2 bezeichnete Hochfrequenz-Cut^Off des Verstärkers wird durch
den Kondensator C1 bestimmt, der von dem Widerstand R^ in der Rückkoppelungsschleife überbrückt
vird Der in Fig. 4a mit /1 bezeichnete Niedrigfreenz-Cut-Ofl wirj (jurch die ftC^Rcihe, die aus in
Reihe geschaltetem Kondensator C1 und Widerstand
η besteht, und über die die negative Seite des ArbeWerstärkers
AV geerdet ist, bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor
der Verstärkerstufe eine Konstante v.)ii plus
S 000 im Paßband und er wird bei sehr niedrigen Frequenzen herab bis zum Gleichstrom, gleich 1,000 gewählt,
wie es graphisch in der Fig. 4a dargestellt ist. Fie 4a ist die Charakteristik der Schaltung des Details
B Eine Abgleichvorrichtung zur Korrektur von Ungleichmäßigkeiten in der Eingangsspannung im
Arbeitsverstärker kann vorgesehen werden und ist dargestellt als ein veränderbarer Widerstand R-s für
den Gleichstromabgleich im Arbeitsverstärker A V. Die Einzelheiten des Details C sind innerhalb des
während der Beschneiderperiode, jedoch nicht wahrend
des niedrigen Amplitudenbereiches. Die Gleichstromquelle, zwischen deren Pole die erste und die
zweite Diode in Serie geschaltet sind, ist eine Präzis.iop.s:soannuri'"S'">uel!e,
die von einem Regulator mit niedriger Impedanz versorgt wird und liefert Spannungen
in der dargestellten Ausführungsform von 0.' Volt und - 0,7 Volt. Der Widerstand K4 hat in einer
bevorzugten Ausführungsform 5.1 kOhm. Die erste ίο und die zweite Diode sind fähig, sehr rasch aus dem
Leitungszustand herauszukommen, d. h. sie besitzen eine schnelle Regenerationscharakteristik. Die Dioden
leiten so lange nicht, bis die Eingangsspannungsschwingungen die Hintergrundvorspannungen von +
oder - 0.7 Volt überschreiten. An diesem Punkt tindet
ein Spannu: -sabfall über den Widerstand R, statt infolge des Diodenstroms und der Ausgang verbleibt
im wesentlichen bei ± (0,7 + 0,1 =0,8 Volt) wahrend des Begrenzungsprozesses. Es wird nochmal daraut
hingewiesen, daß die Impedanz der Vorspannungsquelle von τ und - 0,7 Volt niedrig sein muß, um
eine Steifigkeit, d. h. hohe Stabilität der Vorspannung /u gewährleisten.
Die Schaltung des Details D ist innerhalb des ge- *5 strichelt gezeichneten Rahmens der Fig. 6 dargestellt.
Sie enthalt einen Arbeitsverstärker AV, der in einer Phasen umkehrenden Konfiguration geschaltet ist. um
einen nominalen Verstärkungstakior von - 1.000_zu
bieten wobei Kompensationsrcgulierungen tui den
3» Verstärkungsfaktor und die Phase vorgesehen sind. Diese Funktionen sind in der Zeichnung beschrieben.
Ein Gleichstromabgleich ist erforderlich, um bnebenheiten
in der Eingangsspannung des Arbeitsveistärkers
Al" zu korrigieren, und er wird von einem regulierbaren Widerstand R, im Inneren des Arbeitsverstärkers AV gebildet. Zwischen dem F-.mgangdes
Arbeitsverstärkers AV und dem Eingang des Gleicnstromabgleichs
ist der Kondensator C, in Reiher geschaltet. Der Kondensator Γ,kann w*ge^en wtrdei
stem, UiC CiM^ ^v-g.»-....-..^...- ^ ^
Ausgangssignal irgendeiner vorhergehenden Stute beschneidet und so die Eingangsspannungsschwingun
oen für irgendeine folgende Stufe auf einen Wert begrenzt, der so bemessen ist, daß, wenn mit einem Verstärkungsfaktor
von plus 8,000 verstärkt wird, wie es in der illustrierten Ausführungsform geschieht, die
nachfolgende Stufe nicht ausgelastet wird. Die Beorenzungsschaltung
C enthält einen Eingaiv;swiderstand R4, der mit seinem Ausgangsen-'e an den elektrischen
Mittelpunkt eines Diodenpaares angeschlossen ist das aus den Dioden D1 und D-. besteht, welche
sen ist, das aus den Dioden D1 ud ihrerseits in Serie zwischen dem negativen Pol und
dem positiven Pol einer nicht dargestellten Gleichstromquelle geschaltet sind. Dieser Begrenzer garantiert,
daß der Arbeitsverstäikei niemals den linearen Arbeitsbereich überschreitet. Damit wird keine wesentliche
Verzerrung in dem Amplitudenbereich (d. h. 0,512 Volt bis 4,(W6 Volt) am Ausgang der tolgenden
Stufe ß gefunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal am Hingang aul etwa
0.7 + 0.1 Volt = 0.8 Volt begrenzt, woraus sieh maximal
0,8 X 8,0 = (1.4 Volt am Ausgang dei nachfolgenden Stufe B ergeben. Der Arbeitsveistarker A\'
des Details ß ist fähig, seinen Ausgang in einem Bereich von + K)VoIt bis - 10 Volt linear schwingen
zulassen. Das Beschneiden oiler Begrenzen durch die Schaltung des Details C bring! Verzerrungen hinein
liert werden. Ohne daß die Funktion der Stufe D wesentlich geändert wird, kann ein derartiger Arbeitsverstärker
entweder in der invertierenden oder in der nicht invertierenden Version angewendet werden.
Eine Phasenumkehr um 180 Grad wäre der einzige
Unterschied und dieser könnte korrigier! werden durch ein Vertauschen der Geophon/uleitungen am
Eingangstransformator, das ist am Eingang zum 5Ü Block A. In einer typischen Ausii'hrungslorm können
Verstärkungsfaktor und Phasendifferenz Avischen den weiteren Stromwegen in irgendeinem Kanal bis
zu einer gewünschten Genauigkeit von 0.1 ''< odei
noch genauer ausreguliert werden, unabhängig vor 55 der Anzahl der vorhandenen Verstärkerstufe-n. In einem
Stromweg vom Geophon his zum Eingang de» Analog-Digital-Umwandlers kann die Bandbreite de;
gesamten Verstärkerweges auch verengt oder reguliert werden durch den Phasenvcrschiebungskonden
·>« sator C4. dei die Rückkoppelungswiderstände Rs um
R1 überbrückt.
Die Schaltung des Details /. ist innerhalb des ge
strichelten Rahmens der Ii >.'. 7 dargestellt und enthäl
ein Schaltelement Ll.. mit geringer Streuung, das ei fi5 neu Festkörpersehalter enthält Inder »\us«-Stellun
hat es einen außerordentlichen hohen Widerstand un eine außerordentlich niedrige Streuung, vor/.ugsweis
von der Größenordnung von 1O1'' Ohm. und ii
s^^^t bare Basis, wie etwa die Zahl Acht gewählt, der iin
binären System drei Bits entsprechen. Es kann auch die Zahl Zwei als Basis gewählt werden, jedoch wurden
damit die Kanäle beträchtlich komplexer werden. In einem typischen seismischen Signalverarbeitungssystem
kann sich der Bereich der Geophonsignalc von einem Volt herab bis zu einem zehntel Mikrovoll erstrecken,
was einem Bereich über 140 db entspricht. Bereich kann von acht Verstärkerstufen mit
linen
S bezeichneten Eingang hat. Der bin
Hinsicht bilden Stufen mit
■·
um den
Zeltlogikschaltung herkommt, s
reehts steigt. Die auf der
dieser um
vergrößert -e-
*«. Schaltung des Details ,ist innerha, des ge
striicHenRahmensderFig.^
einen nicht invertierenden Impedanzumtorrncr /ι mi
dem Verstärkungsfaktor 1. Ein geeigneteJ Impedanz-Sormer
ist beispielsweise in dem ArukeI »A potpourri
of FET Applications« ElectricalDes gn Ne ^.
März 1965. Seiten 38 bis ^S, beschrieben, msbcson
derc auf Seite 45. Vgl. auch »Handbook of Oper« ο
nal Amplifier Applications« Seite 47 Burr Brown
^tinl^I^Iinp^nzuniK^cr
des Details F ist durch eine extrem hohe
pedanzcharakterisiertdie vo.rzupweisc.^^
Anordnung von 10 « Ohm ,st, bei g^^fj^
niedriger Ausgangsimpedanz, die Bereich von 1 Ohm hegt. Die sehr
erlaubt den Gebrauch eines ^ fekttransistorschalters mit ^^"7 Die Einstand
in dem vorgeschalteten Scha Uer^EDie fcjn
gangs-lmpedanzdes Blocke s F soll gleich oder großer
Ils das lO^fache des »«"«-W^rstandes to FeWe
fekt-Transistorssein sodaßder «e n«-W,derstand
Meßgenauigkeit nicht ^'"^Äareestellten Sy- so
Während die in den F»g. 1 und 2 dargeiiter^y
sterne Verstärkerkanalc mrtJ^1^1^ ^Tn.
teten Verstarkerstufen aufweisen soll Deton
daßerfindungsgemaßauchand^e Anzawenxon
stärkerstufen angewendet werden tonnen Die An
zahl der in Kaskade E^alf™ «ufen *™f °
Verstärkungsfaktor pro Stufe und ™m
gesamten Verstärkungsfaktor KEs st fi Speicherung zweckmäßig. Stufen mit als
tenzen angebbaren ye"tarJ""^S"mi^ eiden.
So ergeben (^'^^^^"S
nem Verstärkungsfaktor 8 C1"en ^_!^!
kungsfaktor 8' = 2097 152. Da 8 --
für den gleichen gesamten ^Α
undzwanzig Stufen mit Ve
dcrlich sein.
Jür(jen
™en
mit einem
, Anzahl der Bits
i-Variation auf der linken
,st Am Fuß der Fig. 9 ist die Eingangsspannung
und ihre db-Variation aufgetragen Der Verstärkungsfaktor wird gelesen bzw. gcspu
chert als Exponent zu einer geeigneten Basis. Das t*
Kbnis ist mit der Mantisse zu multiplizieren, wone
sich die gewünschte Maßzahl für das Eingangssignal ergibt. Damit entspricht die Genauigkeit eines derartigen Systems mindestens H Bits oder 1 PromiH ur
einen Eingangsbereich von 144 db be, Verwendung von acht Kaskadenstufen und lur einen Bereu. , on
90 db bei Verwendung von fünf Kaskadenstuttn.
Wenn der Konverterbereich auf eine Genauigkeit u>
weniger als 11 Bits reduziert wird, ergibt sich e.nmt
liehe? Lautstärkenbereich von 210 db. Di«cr ™d hu
Beachtung des Vorzeichensignals auf 216 iln cr
tert. Wie oben erwähnt, ist die gelesene Spannung,
d. h. das gespeicherte Ausgangssignal des ^yste™,
exaktes Maß für die Spannung an den Geophon^.!
mcr.. In einer praktischen Ausführungsform stf'" '
Messung unterhalb eines Eingangssignals von > krovolt im wesentlichen das Rauschniveau am
Stärkereingang exakt dar. .i,rker-
Bei der Anwendung der offenbarten vcrsut
schaltung werden große Eingangssignalc Ieicnt au
so hohes Niveau verstärkt, daß der Eingang alle'
nachfolgenden Stufen blockiert wird. Die Regeln
zeitkonstanten im Verstärkersystem würden di<- M-sung
eines jeden kleineren Signals, das "ηΓηΐ1^;;
auf ein großes Eingangssignal folgt, verhindern w«->
man jedoch alle Eingangsamplituden, die &™".
der volle Skalenbereich dividiert durch den \ ersu
kungsfaktor der Stufe sind, beschneidet so aai. «
Ausgangssignal innerhalb des linearen Arbeitst^
ches der Verstärkerstufe bleibt, kann man einer. Wan.
η Stufen in einem linearen Bereich arbeiten ja
bekannt ist daß sie sehr kurze Regenenerzc.cn haben
Auf diese Weise wird der Verstärkungsfaktor im nesanucn Siunalwcg nicht geändert und keine Ver-S
tule wird vorübergehende Verzerrungen in
das Svstem einführen. '
Die AiisaäiiBe eines Sal/es von in Kaskade geschaltcten
VerSärkersiufen mit ampl.tudenbegrenz.cn
EmgangcM! m-rdcn so dem Bereich des Analog-D.gtal-Wandlers
angepaßt, daß der maximale lineare Ausgang jedes Signalweges ein wenig großer als der "»
SignaiabtaM.cl in eben beschriebener Weise ausgewählten
Versiiarkerstu e repräsentiert. Ie, hxpo-
»ent k ist die Netlozahl de, VerMarkersiuten. durch
die das Eingangssignal durehgclcitcl wird, bevor es
^ndurehd.e Abtas.schahung ausgewählten Ausgang
erreicht.
In der bevorzugten Austuhrungsloim hat ,ede der
in Kaskade geschalteten VerMarkerslulen den Ve, starkiingsfaklor
S. d.h.:
(Gleichuim 1)
sprechend 18 db) der vollen Skalcnbrutt des
log-Digital-Wandlers aus «"^^^^
spannung exakt abschnittweise
gangspunkt des ü'npnps.gnals zum ι weh sen »as einzige Erfordern.s dabei ist dal™n rn Kaskade geschalteten P1:™^ J atitomatisch und mit hoher ^ kann. Ls ,st nicht erforderlich wc: ^
gangspunkt des ü'npnps.gnals zum ι weh sen »as einzige Erfordern.s dabei ist dal™n rn Kaskade geschalteten P1:™^ J atitomatisch und mit hoher ^ kann. Ls ,st nicht erforderlich wc: ^
Verstarkersystcmcn die Abta uve,^ Iruheru
phtudcn autzubewahren. Hier ist jede spezielle
plitude völlig unabhängig von sim^^n v<uangegangenen.
»icses ,st gl^hbedeutenc dam t «t u. η a
rnit einem Ana og-D.g.tal- Wand le^m 36 binaren
lius die augenblickliche Ge, Phompanig aMagct
und zu allen Zeitpunkten mit c η"^Γα^^
nauigkeit von 11 Bits digitalisiert. Da
Gcophonspannung in -orm einer C, fixiert.wasidealfurd^
ter ist. wird dieses Verstärktestem als uiui
komma-Vcrstärkersystcm b"cich'^.,^;'^,tcm isl
I^as oben offenbarte S.gnalvcrarbe^^m d c.n
Mittel zur Umwandlung eines Ana ogs.yuIs m u
gitale Wörter, die in einem solcheη Jor
chert werden können, in dem jede ,d
Anzahl von binären Bit-I'osilioncn .^11^ ^
gnetischen Spcichcrmittcl /. B. c'"J:n\N^f"c^X
besetzt. Jedes derartige digitale Wort w^rJ ^n
Gleitkomma-Form gespeichert Durch -™£™
Speicherung der Signal.nformationer^geht d^
ses System eine iiroße Anpassungsfähigkeit an uie
Aufgabe sowie eine leichte Handhabu.ig von Signa eil
mit gn»öen Unterschieden in ihren wc«tri.
gle.chze.tigeine hohe Genauigkeit erreicht wir MM-'
»Digital Computer Primer« von E. M. Mc\° , f ,;
W50. McGraw-Hill Book C o., Seiten 15. und
gende.) .. .■ ,
.n der illustrierten Ausführung^ njprasen .c ,
uic auf Magnethand gespeicherte digitale Ölen
komma-Zahl die ^^^^^Ä
nungsampl.tude.wR-siein
angeschlossenen Geophon ^m£ ^J, antiVSC
Die digitale Gleitkomma-Zahl besteht aus μ am
und Exponent und hat folgende 1-orm.
/, _ χ v ,, » (Gleichung 1 )
Dann ,s, C? die absolute Große der Amplitude des
Linpangssipnals. wie c in einen Kann c.ngegeben
wird, de! ome Anzahl von Veistarkerstutcn in Kaska
,. W der Vlknp>.£
15 £ „„££ ASU
Zeitmittelung ab. 1 «er wird das Hingangs™J^aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten abgcW 8 entsprechenden Ausgangen der Ve, -
ärkerslufcn erschc\ncndcn Signale werden derart
. daB der m dcr Gleukomma.Zah, gespeicherte Wert des Exponenten k für jeden einzela5
,"en Abtastwert unabhängig hergeleitet wird. d. h. der
icncrtc Exponcn, λ ist unabhängig vom Expob
P vorangegangenen oder nachfolgenden
....^...iaft erfolgt das Abtasten beim hier oltenbarten
Verstärkelsystem im wesentlichen in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ohne Zeitmittelung, und
zwar in einer Weise, bei der der Verstärkungsbereich während des Durchlcitens des Signals durch den Verstärker
geändert werden kann. Charakteristisch für den Verstärker ist somit ein Arbeitszyklus, während
dem der optimale Gesamtverstärkungsfaktor ermittelt,
eingestellt, während des Durchleitens des Sienals
durch das Verstärkersystem bis zu dessen Ausgang aufrechterhalten wird und während eines Haltezeitintervalls
aufrechterhalten wird, das mindestens sei lang
ist. daßdei Analog-Digital-Wandler die Umwandlung
in digitale Form vornehmen kann. Der Arbeitszyklus wird innerhalb eines Signalzyklus abgeschlossen,
währenddem ein dem Eingang des Verstärkersystems zugeführtes Signal zwecks Umwandlung in ein entsprechendes
digitales Signal, das beispielsweise auf einem Magnetband gespeichert werden kann, durchgeleitet
wird.
Es wird hier gemeint, daß das I laltez.eilintervall f üi
den auserwählten, vom Comparator bestimmten V'erstärkungs^rad
so iang sein soil, daß der Analog-Digital-Wandler
die geeignete Umwandlung in digitale vornehmen kann. Damit soll aber nicht gesagt
es unbedingt erforderlich ist fur die ιιιι;ΐΛΐ>-ιι ■ U..0 ist es nicht erforderlich -, daß das genannte
Hahez.eitintcn.all während der gesamten Periode
fortgesetzt wird, die der Analog-Digital-Wandler benötigt, um eine derartige Umwandlung zi
vollenden. Es wird darauf hingewiesen, daß in einerr
typischen Analog-Digital-Wandler geeignete Abtast und Haltestromkreise enthalten sind, welche ein Ana
log-Signai. das in digitale l-orm -.imgcwandelt werde,
son. abtasten und halten. Beispielsweise enthaltet
Analog-Digital-Wandler geeignete innere Kurz/cit 6c Gedächtnis-Schaltungen odor auch SignaiA ersetz
. die es dem Analog-Digital-Wandler er
Signal für die ganze dafür benötigte Zeitdauer gehalten
oder beobachtet zu werden braucht. Die vorbcstimnite
Halte/eit für den auserwähllen Verstärkungsgrad,
die der Umwandler für die Durchführung seiner Abtast- und Haltefunktion benötigt, enthalt
also nicht unbedingt die gesamte Zeit, die der Analog-Digital-Wandler
für die Vollendung der tatsachlichen Analog-Digital-Wandlung braucht.
In der hier beschriebenen speziellen Ausfuhrungstorni mit 5 Stufen pro Kanal liegt im !alle von 32
Kanälen das Zeitintervall, das ein Kanal für das Aufnehmen
eines Abtastwertes vom Analog-Signal braucht, bei 31.25 Mikrosek. Damit benötigt das gesamte
32-Kanal-System für einen gesamten Abtastvorgang, bei dem pro Kanal ein Abtastwert aufgenommen
wird, ein Intervall, das bei einer Millisek. liegt. Der Comparator benötigt zum Durchtesten eines
einzelnen der fünf möglichen, über die Schalter /-,',. Ζ·.\ führenden Signalwege zwecks Ermittlung des
optimalen Gesamtverstarkungsfaktors je 2 Mikrosek. Das bedeutet, daß die Ermittlung des optimalen Gesamtverstärkungsfaktors
durch den Comparator O bzw. 2 bzw. 4 bzw-. (■>
bzw. 8 Mikrosek. benötigt, je nachdem, ob der Durchtcstprozcß mit dem Durchtes?en
des über Zi', bzw. E1 bzw. E, bzw. E4 bzw. £\
führenden Signalweges beendet ist. Um das Signal in die Abtast- und Halteschaltung des Analog-Digital-Wandlcrs
einzugeben, werden 5 Mikrosek. benötigt. Diese 5 Mikrosek. kommen zu den eben genannten,
vom Komparator benötigten 0 bis S Mikrosek. hinzu,
so daß in einer Ausführiingsiorm mit 5 Stufen pro
Kanal, die Halteperiode 5 bis 13 Mikrosek. dauern kann. In der illustrierten Ausführungsform kann die
Halteperiode auch die vom Comparator nicht benötigte, ti. h. überschüssige Zeit enthalten. Somit können
insgesamt i5 Mikrosek. \on den zur Verfiiuun» stehenden
31.25 Mikrosek. abgehen, wobei 10 Mikrosek. vom Comparator benötigt werden und 5 Mikio
sek. für die Eingabe des Signals in die Abtast- um Halteschaltung des Analug-Digital-Wandlers.
Damit in der hier offenbarten Verstärkerschaltuni die gespeicherte Gleitkomma-Zahl eine exakte Dar
stellung des absoluten Wertes des Eingangssignal Q
ist. ist es vorteilhalt, daß sämtliche in Kaskade geschaltete
Vcrslarkerstufen einschließlich der EingangsverstärkersUife
A und den darauffolgende!· Stufen ß, bis /i4 eine gemeinsame \ erstärkungsbasi:
H haben, so daß die Exponenten einer jeden einzelnen Vcrstärkerstufc algebraisch zum gespeicherter
Exponentenwert A: addiert werden können Hir dk
1S illustrierte Aiisführungsform bedeutet dieses, daß dei
für ein spezielles Signal gespeicherte Wert des Exponenten k die Summe aus dem Exponenten für die
Stufe A plus den Exponenten der darauffolgender Kaskadenstufe, wie sie durch die Schalterstellunger
*° der Schalter E1 bis E^ bestimmt werden, ist.
Da erfindungsgemäß konstruierte Verstärkerschal Hingen ein Ausgangssignal in der Gleitkomma-1 onr
liefern, das den absoluten Wert des Eingangssignal· wiedergibt, ergibt sich eine größere Anpassungsfähig-
»5 keil in der Wciterverwendiing und der Speichcrunt
der Ausgangssignale.
Einige der sich durch das Speichern seismischer Signale in digitaler Form ergebende Vorteile sind beschrieben
in »Tools hör Tomorrows Geophysics« vor Milton B. Dobrin und Stanley H. Wnrd (Geophysicu
Prospecting. Band 10. Seiten 433 bis 452. ll>62).
Hinsichtlich des Gebrauchs von ArbeitsveiMär kenin
oben beschriebenen Datcnverurbeitungssysiemer
wird hingewiesen auf »Handbook of Öperaüona Amplifier Applications. Burr-Brown Research ( orp.
1 ucsimI Arizona. 1M63).
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Mehrkantige Verstärkerschaltung zur
Schnelluufzeichnungvon in einem großen Amplitudenbereich
liegenden Signalen mit automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulierung,
insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Verstärkerstufen
aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die
einzelnen Ausgangsstufen der einzelnen Kanüle. mit einer Einrichtung zum Festlegen einer Vielzahl
zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmter Verstürkungsbereiche der Verstärkerschaltung. '5
mit einer Einrichtung zur Umwandlung des am gemeinsamen Ausgangsschaltkreis erscheinenden
Analog-Signals in ein korrespondierendes Digital-Signal und mit einer Einrichtung zum Ableiten
eines zweiten Signals, das anzeigt, welcher der vorbestimmten Verstärkungsbereiche während
eines Zeitinten alles, in dem das am gemeinsamen Alisgangsschaltkreis erscheinende Signal in ein
korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt wird, gewählt wurde, g e k e η η ζ e i c h η e t d u r e h
einen Multiplexer (J, J). von dem ein automatisch ablaufender Abfragezyklus für die einzelnen Kanäle
(1. 2.../I) ausgeht, wobei in jedem Zyklus die Verstärkerausgange jedes Kanals nacheinander
über eine gemeinsame Verstärker-Ausgangsstufe (F) an eine Komparatorschaltung (//, /, C)
zur Ermittlung, ob das Signal in einem vorbestimmten Amplitudenbereich liegt, angeschlossen
sind, und durch einen Analog-Digital-Umwandler (AD) zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich
liegenden Signale sowie durch vom Multiplexer (7, J') gesteuerte Schalteinrichlungen
(£",, E2... Em) zur Schaltung des nächsten
Verstärkerelementes (/*,, B1... B1n) bei Nichterreichung
des vorbestimmten Amplitudcnberei- «o ches durch Jas vorliegende Signal.
2. Mehrkanalige Verstärkerschaltung zur Schnellaufzeichnung von in einem großen Amplitudenbereich
liegenden Signalen mit automatischer, extrem schnell verlaufender Verstärkungsfaktorregulierung,
insbesondere für seismische Signale, wobei jeder Kanal mehrere Verstärkerstufen
aufweist, die in Kaskade geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Ausgangsschaltkreis für die
einzelnen Ausgangsstufe!! der einzelnen Kanäle. mit einer Einrichtung zum festlegen einer Vielzahl
zunehmend unterschiedlicher, vorbestimmier Verstärkungjbereiehe der Verstärkerschaltung,
mii einer Einrichtung/iir Umwandlung des am gemeinsamen
Ausgangsschaltkreis erscheinenden Analog-Signals in ein korrespondierendes Digital-Signal
und mit einer Einrichtung /um Ableiten eines /weiten Signals, das anzeigt, welcher der
vorbestimmten Verstärkungsbereiche wahrend eines Zeitintervalles. in dem das am Ausgangs- fio
schallkreis erscheinende Signal in ein korrespondierendes Digital-Signal umgewandelt wird, gc
wählt wurde, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (J../'). von dem ein automatisch ablaufender
Abfragcrzyklus für die einzelnen Kanäle '1.
l...n) ausgeht, wobei die einzelnen Kanalausgange,
die jeweils eine Ausgangsstufe ( /·") aut weisen, über eine als Kanal-Multiple \er ( Λ'A/) ausgebildete
gemeinsame Ausgangsstufe an eine Komparatorschaltung ( H, I, G) zur Ermittlung, ob das
Signa! in einem vorbestimmten Amplitudenbereich liegt, angeschlossen sind, und durch einen
Analog-Digital-Wandler (Al)) zur Speicherung der im vorbestimmten Amplitudenbereich liegenden
Signale sowie durch \om Multiplexer (./, J') gesteuerte Schalteinrichtungen ( E1. E1.. ■ E1n) zur
Schaltung des nächsten Verstärkerelements ( B,. B2... Bm) bei Nichterreichung des vorbestimmten
Amplitii'Jenbereiches durch das vorliegende Signal.
3. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Kanal eine Eingangsstufe (A) aufweist, an deren Ausgang die in Kaskade geschalteten Verstarkerslufen
(B1. B2... Bm) angeschlossen sind.
4. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge-
\ enn'/eichnet, daß die Verstärker-Ausgangsstufe
(I) als Impedanzwandler ausgebildet ist.
5. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduich gekennzeichnet,
daß die als Impedanzwandler dienende Verstärker-Ausgangssiufe ( /') im wesentlichen
aus einem nicht invertierenden Impedanzwandler (IT) mit dem Verstärkungsfaktor 1
besteht, wobei dessen Eingangsimpedanz größenordnungsmäßig das 1 (!'"-fache seiner Ausgangsinipedanz
beträgt und mindestens das K) -fache des Widerstandes, den die elektronischen Schaltcreinrichtungen
(/-J:. E, .../:,„),, in «Ein-.·-Stellung
aufweisen.
6. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einen des vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsstufe (A) einen Eingangsabschwächcr ( EA ) und einen Verstärker
(A1) mit einstellbarer Verstärkung sowie einen
Verstärkungsregler (.ST) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors
enthält sowie eine logische Schaltung ( G/.). die dem eingestellten Faktor entsprechende
Signale (V1. >',...) dem Multiplexer
(./, ./') zuleitet.
7. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß /wischender Eingangsstule ( A )
und der ersten Vei stärket stufe und zwischen den übrigen Verstärkcrslufen (W1. B1... B1n) Bcgren-/ungsschaltungen
((',. C':...C'„,) und /wischen
dem Ausgang der Eingangsstule (A) und den Ausgängen der Verstärkerstufen (ß,, B1... B111)
einerseits und den Eingängen der elektronischen Schalter (/-J1. E1... E1n . ,) andererseits Bandhreitenvorrichtungen
(/>,, /λ... /),„,.) liegen.
S. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Verstärkerstufe (Bs.
/J,... B,r) einen Cileichsiromvcrstärkungsfaktor 1
und einen Wechselstromwrstärkungsfaktor größer als I hat. wobei letzterer Faktor für jede Vcrsiärkeistufe
(/J1. B:...B111) gleich ist.
(>. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch
S. daduich gekennzeichnet, daß der Wechselstromverstärku.igsfaktor
eine positive ganz-/ahlige Polen/ von 2 ist.
10. Mehrkanaliee Verstärkerschaltung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn/L'.dmei.
daß die elektronischen Schaltein-
•ichtungen (/■-;. /·.,... L„,,,) im wesentlichen aus
je einem Fcstköiperschalter (/.L) und je einer Steuerschaltung (.SY)) bestehen, deren Eingänge
mittels Signalleitungen (.S1, S2....Sn,,.) an den
Multiplexer (J. J) angeschlossen sind. ;,
11. yiehrkanalige Verstärkerschaltung nach einem
iler vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
daß die Komparatorschaltung ( //,
/, G) aus zwei mit dem genannten gemeinsamen
Ausgang verbundenen Entscheidungseinriehtungen (H. I) und einer Be/.ugsspannung liefernden
Gleichst!omquel'e (G) besteht, deren positiver
Pol mit der einen Entscheidungseinrichtung (//) und deren negativer Pol mit der anderen Entscheidungseinrichtung
(/) verbunden ist, wobei die Entscheidungseinrichtungen (H, I) so dimensioniert
sind. daB die mit dem positiven Pol verbundene Entscheidungseinrichtung (H, ein Signal einesgewissen
ersten Wertes ausgibt, wenn das vom gemeinsamen Ausgang eintreffende Signal großer ^,
als die positive Bezugsspannung ist, sonst ein Signal eines gewissen /weiten Wertes, und daß die
mit dem negativen Pol verbundene Entscheidungseinrichtung (/) ein Signal des gewissen ersten
Wertes ausgibt, wenn das vom gemeinsamen Ausgang eintreffende Signal größer als die negative
Bezugsspannung ist, sonst ein Signal des gewissen zweiten Weites.
12. Mehrkanalige Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 11. dadurch gekennzeichnet, daß
der Multiplexer (J) ein ODER-Gatter ((Ki) mil zwei Eingängen für die von den Entscheidungseinrichtungen (H, I) eintreffenden Signale, das
seinerseits nur Signale ausgibt, wenn die eintreffenden Signale verschiedenwertig sind, aufweist,
sowie eine Bczugsfrequenzquelle (CL), eine Dividier-Flip-Flop-Schaltung
(FC), ein Zeildekodierregister (ZR). eine Gedächtnisschaltung (M/.).
ein UND-Gatter (Ud). einen Schalterzählcr (SC). einen Exponentenaddierer (/CV) und eine i<>
einen Multiplexer enthaltende Steuerschaltung (I'M), wobei die Dividier-Flip-Flop-Schaltung
(FC) Eingänge für die Aufnahme von von der Bezugsfrequenzquelle
(CL) gelieferten Zeitimpulsen und von von dem die Digitalsignale produzierenden
Analog-Digital-Wandler (AD) gelieferten Synchronisierimpulsen sowie Ausgänge zur Ausgabe
von Zählimpulsen an das Zeitdekodierregister (ZR). Ausgänge zur Ausgabe von Auslöse-,
Einstell- und Rückstellsignaien an die Gedachtnisschaltung (ML), einen Ausgang zur Ausgabe
eines Signals zum Weiterstellen des Schalterzählers (.VC) an das UND-Gatter (UG), einen Ausgang
zur Ausgabe eines Vorrüik-Signals an den Schaltcrzähler (SC) sowie einen Ausgang zur :>5
Ausgabe eines Signals an den Exponentenaddierer (ES) aufweist, wobei die Gedächtnisschaltung
(ML) Eingänge für die Aufnahme der vom ODER-Ciatter (OC) und dem Zeitdekodiciregister
( ZR) gelieferten Signale sowie einen Ausgang '»>
für die Ausgabe von Signalen an das UND-Gatter (UG) aulweist, wobei der Sehalterzähler (.VC)
Eingänge für die Aufnahme der vom UND-C iatter (UG) und vom Zeitdekodierregister (ZR) gelieferten
Siunale sowie Ausgänge zur gemeinsamen Ausgabe von Signalen sowohl an den Exponentenaddierer
(IiS) als auch an die Steuerschaltung 1 I-'Mi aufweist, wobei der Exponentenaddierer
(FS) Eingange lüi vom Schaltern ahler (.SC ) und
von den Eingangssiufen (--i) und \om Zcildekodierregisier
(ZR) gelieferte Signale sowie Ausgänge zur Ausgabe von Signalen an den vorgeiiaimiun
Anitivig-Ditita! Wandler {AD) aufweist,
und wobei schließlich die Steuerschaltung ( VM) Eingänge für die Aufnahme der vom Schalterzähler
(.VC) gelieferten. Signale sowie Eingänge für die Aufnahme \on von dem vorgenannten Analog-Digital-Wandler
[Al)) gelielerten Kanalnuinmer-lmpulsen
sowie Ausgange lür die Ausgabe
von Steuersignalen (S,. S ....V,,,.,) an die elektronischen Sehalter ( /;,. /. ... L111 . ;) aufweist.
13. Mehrkanaline Verstärkerschaltung nach Anspruch 2 oder 1 1 .dadurch gekennzeichnet, daß
der Multiplexer (J') ein OF>E~R-Gatter (OC) mit
zwei Eingängen tür die von den Enischeidungseinrichtungen (H. I) eintreffenden Signale, das
seinerseits mir Signale ;nisgibl, wenn die eintretfenden
Signale versehiedenwerlig sind, aufweist,
sovsic eine Bezuuslrequenzquellc (C/.). cue Dividier-Flip-l
lop-Schaltung ( /-C). ein Zcitdckodierregister
(ZR). eine Gedächinisschaltung (ML).
ein UND-Gatter ( LJC), einen Schallerzähler (.VC), einen Exponentenaddierer (/-..V) und eine
Steuerschaltung ( V) aufweist, wobei die Dividier-Hip
Flop-Schaltung (h'C) Eingange lür die Aufnahme von von der Bezugs! rcqucnzquelle
(C/.) gelieferten Zeitimpulse und von von dem Analog-Digital-Wandler (AD) gelieferten Synchronisierimpulsen
sowie Ausgänge /ur Ausgabe von Zählimpulsen an das Zcitdckodiurregister
(ZR) aufweist, wobei das Zcitdekodierregisier
( ZR) Ausgange zur Ausgabe von Auslöse-. Einstell- und Rückstellsignalen an die Gedächtnisschaltung
( Λ//.) sowie einen Ausgang zur \usgahe eines Vorrück-Signals an <.\cn Schalter/ahlcr (.VC)
sowie einen Ausgang zur Ausgabe eines Signals
an den Exponenlenaddier..r (LS) aulweist, wobei
die Gedächtnisschaltung (ML) Eingänge für die Autnahme der vom ODER-Gatter ( OCi) und dem
Zeitdekodierregister ( ZR) gelieferten Signale sowie einen Ausgang für die Ausgabe von Signalen
an das UND-Gatter (UC) aufweist, wobei der Schalterzähler (.SC) Eingänge für die Aufnahme
der vom UND-Gatter (UC) und vom Zeitdekodierregister ( ZR) gelielerten Signale sowie Ausgänge
/ur gemeinsamen Ausgabe von Signalen sowohl an den Exponentenaddieier (/..S) als auch
an die Steuerschaltung (1 ) aufweist, wobei der Exponentenaddierer (F..V) Eingange für vom
Schalter/ähler (.VC) sowie von den Eingangssuifen (,-I) und vom Zcitdekodierrcgister ( ZR) gelieferten
Signale sowie Ausgänge zur Ausgabe von Signalen an den Analog-Digital-Wandler (AD) aulweist.
wobei schließlich tue Steuerschaltung ( ί7)
Eingänge für die Aufnahme der vom Schallerzähler (.VC) gelielerten Signale sowie Ausgiinge !in
die Ausgabe von Sleueisignakn (.V . .S .... .S„. . ;)
an die elektronischen Schalter (/·.",. /·...../·.'„. . . I aiii weist.
14. Mehrkanalige \'erstiirkeischaltung nach
Anspruch '). dadurch i-i-ktninzcichnet. daß dei
WechselstronuersiarkvmiislaktiT S 1^1
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US78670668A | 1968-12-24 | 1968-12-24 | |
US78670668 | 1968-12-24 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1964202A1 DE1964202A1 (de) | 1970-07-09 |
DE1964202B2 DE1964202B2 (de) | 1975-06-19 |
DE1964202C3 true DE1964202C3 (de) | 1976-01-29 |
Family
ID=
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