DE2554799A1

DE2554799A1 - Anordnung zur erfassung von daten

Info

Publication number: DE2554799A1
Application number: DE19752554799
Authority: DE
Inventors: Paul Ellington Carroll; Jun William Moore; William Charles Voight
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1976-06-16
Also published as: US3972020A; JPS6218874B2; DE2554799C2; JPS51108601A

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas« Texas. V.St.A.

Anordnung zur Erfassung von Daten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung von Daten und insbesondere auf eine mehrkanalige Anordnung zum Erfassen seismischer Daten.

In verschiedenen Datenerfassungsanordnungen können ein oder mehrere signalerzeugende Empfänger in einem von einer zentralen Datenerfassungseinheit entfernt liegenden Gebiet angebracht sein. Beispielsweise sind in einer Anordnung zur seismischen Bodenerforschung mehrere Geophone oder Geophongruppen in einem Gebiet oder längs einer Linie auf der Erdoberfläche angebracht. Eine zentrale Datenerfassungseinheit oder Datenaufzeichnungseinheit befindet sich in einem Lastwagen, der an einem von den Geophonen entfernten Punkt aufgestellt ist. Die Datenerfassungseinheit ist an die verschiedenen Geophone mittels eines Kabels angeschlossen, das zwei Adern für jedes Geophon oder jede Geophongruppe enthält. Das Kabel kann typischerweise eine Länge von mehreren Kilometern haben, und es führt gewöhnlich relativ

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schwache Signale im Amplitudenbereich von wenigen Millivolt bis herab zu einem Mikrovolt. Diese Signale mit kleinen Werten werden häufig von Störungen verfälscht, die in den Geophonen, den Kabeln oder in der Datenerfassungsanordnung selbst aufgenommen werden.

Eine bedeutende Störquelle ist die Aufnahme von Störsignalen aus der Stromversorgungsleitung,die gewöhnlich elektrostatisch als Gleichtaktsignal im Kabel induziert werden. Ein Teil dieser Störung wird auf Grund kapazitiver und ohmscher Unsymmetrie in den Geophonen, im Kabel und in den Verstärkern der Aufzeichnungseinheit in eine Gegentakt störung umgewandelt. Störsignale aus der Stromversorgung können auch auf magnetischem Wege in den Geophonen als Gegentaktsignal erfaßt werden, ebenso wie sie auf Grund von Versorgungsleitungsströmen, die in der Erde fließen, als Gleichtaktsignal aufgenommen werden können.

Eine Hauptquelle für im Kabel induzierte Gleichtaktstörungen sind Gewitter.Diese Art der Störungsaufnahme erfolgt immer dann, wenn das Kabel dem elektrostatischen, dem. magnetischen oder dem elektromagnetischen Feld eines Gewitters ausgesetzt ist. Die elektrostatische Feldstärke klingt mit der Entfernung vom Gewitterzentrum schnell ab, während die magnetische Feldstärke weniger stark mit der Entfernung abklingt. Die elektromagnetische Feldstärke klingt sogar noch langsamer abj sie kann sich auch in einem Abstand von mehreren 100 Kilometern noch als Problem erweisen. Die vom Gewitter induzierten Störungen, die vomKabel erfaßt werden, können typischerweise eine Spitzenamplitude von 10 Volt haben. Auf Grund der unsymmetrischen Kapazitäten und des nach Masse fließenden Reststroms im Kabel wird ein Teil dieser Störungen von einer Gleichtaktstörung in eine Gegentaktstörung geändert. In Anbetracht

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der vom Kabel typischerweise übertragenen Signalamplituden stellt diese Störsignalaufnähme bei der Datenerfassung ein ernstes Problem dar.

Derzeit besteht das am häufigsten angewendete Verfahren zur Lösung dieses Problems darin, einen Eingangstransformator zum Ankoppeln jedes Adernpaars im Kabel an die Datenerfassungseinheit zu verwenden. Der Transformator hat die erwünschte Eigenschaft, eine gute Gleichtaktunterdrückung zu erzielen. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, daß jeder Transformator sehr groß sein muß, damit Niederfrequenzverzerrungen und Niederfrequenz-Phasenfehler auf ein Minimum verringert werden,während er Wicklungswiderstände aufweist, die noch klein genug sind, um nicht merklich zu den Störsignalen beizutragen. Weitere Schwierigkeiten bestehen darin, daß die Fähigkeit zur Gleichtaktunterdrückung bei Transformatoren mit zunehmender Frequenz abnehmen. Außerdem sind Transformatoren empfindlich für äußere Magnetfelder, mechanische Schwingungen und Stöße; sie können magnetisiert werden und das Signal verschlechtern. Die Eingangskapazität des Transformators kann kaum symmetriert werden, so daß eine Umsetzung von Gleichtaktstörungen in Gegentaktstörungen verursacht wird.

B.n weiteres allgemein angewendetes Verfahren besteht darin, zwei invertierende Rechenverstärker zu verwenden, die jeweils einen Eingangswiderstand Von 500 Ohm haben. Der Ausgang des ersten Verstärkers ist über einen Widerstand mit dem Summierungsanschluß des zweiten Verstärkers verbunden, und die Verstärkungen sind so zueinander ins Verhältnis gesetzt, daß äquivalente Signale, die an die zwei Eingänge der Gesamtanordnung bezüglich Masse angelegt werden, am Ausgang des zweiten Verstärkers Signale ergeben, die die gleiche Größe

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jedoch eine entgegengesetzte Phasenlage aufweisen.

D.h. mit anderen Worten, daß die Gesamtanordnung eine Gleichtaktunterdrückung bewirkt. Mit den Eingangswiderständen von 500 Ohm an jedem Verstärker hat die Gesamtkombination eine Gegentakt-Eingangsimpedanz von 1000 Ohm und eine Gleichtakt-Eingangsimpedanz von 250 Ohm. Diese niedrige Gegentakt -Eingangsimpedanz verursacht eine starke Belastung der Quelle und des Kabels und führt zu einem Signalverlust. Eine Erhöhung der Werte der Eingangswiderstände zur Erzielung einer Erhöhung der Gegentakt-Eingangsimpedanz führt zu einer unannehmbaren Erhöhung des thermischen Rauschpegels der Widerstände.

Die nach der Erfindung ausgebildete Eingabeanordnung ergibt eine Lösung dieser Schwierigkeiten in einer Weise, die mit den speziellen Anforderungen bei Anordnungen zur Verarbeitung seismischer Daten kompatibel ist. Solche Anordnungen müssen typischerweise mit nicht an Masse liegenden Geophonen arbeiten, und sie machen von langen vieladrigen Kabeln Gebrauch, die nicht abgeschirmt sind. Eine Gleichstromrückführung nach Nasse oder zu einem anderen Bezugspotential muß in der Eingabeanordnung vorgesehen sein .Die Eingangsimpedanz der Anordnung sollte relativ hoch, konstant und symmetrisch sein, und sie sollte keine Niederfrequenz-Phasenverschiebungen verursachen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zu einem Geophon führende Leiterdrahtpaar an ein ..Gleichtaktfilter angeschlossen. Das Filter hat einen Tiefpaß-Erequenzgang für Gleichtaktsignale und einen im wesentlichen flachen Frequenzgang für Gegentaktsignale.Sßin

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Ausgang ist mit einem Gegentaktfilter gekoppelt, das einen Tiefpaß-Erequenzgang für Gegentaktsignale und einen im wesentlichen flachen Frequenzgang für Gleichtaktsignale aufweist« Der Ausgang des Gegentaktfilters ist an eine Verstärkerschaltung mit einer hohen Gleichtaktunterdrückung angeschlossen. Die Verstärkerschaltung liefert ein unsymmetrisches Ausgangssignal zum Ankoppeln an die Datenerfassungseinheit.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Eingabeschaltung geschaffen werden, die weitgeheniunempfindlich für atmosphärische Störungen in einer Datenerfassungsanordnung ist. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Eingabeschaltung soll Gleichtakt-Störsignale und Gegentakt-Störsignale unterdrücken, die außerhalb einer Signalbandbreite liegen, während sie gleichzeitig Daten in Kleinsignalen schützt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Erfassung seismischer Daten mit der erfindungsgemäßen Eingabeschaltung,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.3 ein Schaltbild der Gleichtakt- und Gegentaktfilter der Eingabeschaltung und

Fig.4 ein Schaltbild des Verstärkerteils der Eingabeschaltung.

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Fig.1 zeigt in schematischer Form eine typische Anordnung zur seismischen Bodenerforschung, die jedoch so abgewandelt ist, daß sie die hier zu beschreibende Eingabeschaltung enthält. Die Linie 10 stellt einen Abschnitt der Erdoberfläche dar. Im elastischen Material der Erde werden mit Hilfe einer seismischen Quelle 14 akustische Wellen erzeugt. Die seismische Quelle 14 kann unter anderem eine chemische Explosion sein; sie kann auch, wie es in dieser Technik häufig der Fall ist, eine Vorrichtung sein,, die harmonische Kräfte auf die Erdoberfläche ausübt. Eine typische Vorrichtung dieser Art ist die Quelle "Vibroseis" der Firma Continental Oil Company.

Von der Quelle 14 breiten sich akustische Wellen gewöhnlich isotrop in die Krustenschichten der Erde aus. Ein spezieller Strahlenweg für die akustischen Wellen ist mit der Linie 26 angegeben. Die Linie 12 repräsentiert eine Diskontinuität der akustischen Impedanz des Erdmaterials. Wenn sich längs des Wegs 26 ausbreitende akustische Wellen auf die Diskontinuität 12 treffen, dann wird wenigstens ein Teil der sich ausbreitenden Energie reflektiert, so daß er sich in einer allgemein nach oben verlaufenden Richtung fortpflanzt. Diese längs des Wegs 31 wandernde reflektierte Welle wird schließlich von einem seismischen Empfänger 21 abgetastet und in ein elektrisches Signal umgesetzt. Wie in der Technik bekannt ist, kann der seismische Empfänger 21 entweder aus einem Geophon oder aus mehreren, dicht beieinander angebrachten und zur Abgabe eines einzigen elektrischen Ausgangssignals miteinander verbundenen Geophonen bestehen. Die übliche Verbindung ist irgendeine Serieh-Parallel-Kombination; die spezielle Verbindung ist hier nicht von Bedeutung. Weitere akustischen Wellen, die von der Quelle 14 ausgehen, wandern längs der nach unten gerichteten Wege 27 bis 30 und längs der

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entsprechenden nach oben gerichteten Wege 32 bis 35* damit sie' schließlich von den seismischen Empfängern 22 bis 25 erfaßt werden. In Fig.1 sind zwar nur 5 seismische Empfänger dargestellt, doch werden üblicherweise zusammen mit einer einzigen seismischen Quelle wesentlich mehr verwendet; typischerweise werden 48 Empfänger verwendet. Aus der obigen Beschreibung ist zu erkennen, daß die mit den seismischen Empfängern erzeugten elektrischen Signale auswertbare Informationen hinsichtlich der unter der Oberfläche liegenden Struktur der Erde enthalten.

Diese elektrischen Signale werden mit Hilfe von Leitungen 41 bis 45 an eine zentrale Datenerfassungseinheit angelegt, in der die Signale vorverarbeitet, gemischt und für die nachfolgende genauere Verarbeitung aufgezeichnet werden. Üblicherweise befindet sich die Datenverarbeitungseinheit in einem Lastwagen, der sich in einigem Abstand von den seismischen Empfängern befindet.

In der tatsächlichen Ausführung besteht jede der Leitungen bis 45 aus zwei nicht abgeschirmten, verdrillten Drähten, mit deren Hilfe die Differenzausgangssignale der verschiedenen seismischen Empfänger zur Datenerfassungseinheit 50 zurückübertragen werden. Typischerweise sind die verdrilltan Drahtpaare zu einem einzigen Kabelbündel vereinigt, und durch eine äußere Ummantelung 52 geschützt. Die Länge des Kabelbündels ist beträchtlich; manchmal übersteigt sie 1,6 km. Die langen nicht abgeschirmten, verdrillten Drahtppare sind äußerst empfindlich für die Aufnahme von Störungen aus umgebenden Feldern. Die Amplituden dieser Störkomponenten liegen typischerweise weit über den Signal-■amplituden, die von den seismischen Empfängern 21 bis 25 erzeugt werden. Erfindungsgemäß ist in dieLeitung 45 an der

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Stelle, an der diese Leitung in die Datenerfassungseinheit eintritt, eine Eingabeschaltung 54 eingefügt. Wie noch erläutert wird, bewirkt die Eingabeschaltung 54 eine beträchtliche Verringerung der an der Leitung 45 erscheinenden Gleichtaktstörungen, und sie wirkt als Tiefpaßfilter für Differenz- oder Gegentaktsignale an der Leitung 45. Es ist inFig.1 zwar nicht ausdrücklich dargestellt, doch ist zu erkennen, daß in ^eder der anderen Ausgangsleitungen 41 bis 44 der seismischen Empfänger eine ebensolche Eingabeschaltung eingefügt ist. Wie die Leitung 56 schematisch zeigt, ist es in der Technik üblich , daß die seismische Quelle 14 unter der Steuerung durch die Datenerfassungseinheit 50 arbeitet.

Fig.2 zeigt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform der Eingabeschaltung 54. Das Gegentakteingangssignal vom Kabel wird über Leitungen 60 und 61 einem Gleichtaktfilter 64 zugeführt. Das Gegentaktausgangssignal des Gleichtaktfilters 64 wird über Leitungen 66 und 68 an ein Gegentaktfilter 70 angelegt. Das Gegentaktfilter 70 weist ebenfalls einen Gegentaktausgang auf, der über dLe Leitungen 72 und 74 mit einem Verstärker 76 mit Gleichtaktunterdrückung angeschlossen ist. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Verstärker 76 einen mittels der Leitung 80 auf Masse bezogenen unsymmetrischen Ausgang auf, der über die Leitung 78 mit der Datenerfassungseinheit verbunden ist.

Obgleich der Verstärker 76 ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis aufweist, reicht seine Fähigkeit zur Gleichtaktunterdrückung allein nicht zur Erfüllung uer SystemanforderungEn aus. Insbesondere läßt die Fähigkeit zur Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers 76 bei hohen

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Frequenzen nach. Dies wird durch das Gleichtaktfilter 64 kompensiert, das für Gleichtaktsignale einen Tiefpaß-Frequenzgang aufweist. Der Frequenzgang des Filters 64 ist Jedoch für Gegentaktsignale im interessierenden Frequenzbereich im wesentlichen flach. Als Ergebnis verursacht das Gleichtaktfilter 64 keine Verzerrungen der seismischen Gegentaktsignale·

Wie oben erwähnt wurde, gelangen atomsphärische Störungen in erster Linie in Form eines Gleichtaktsignals in das System. Auf Grund von Unsymmetrien im System erfolgt jedoch eine gewisse Umsetzung des Gleichtaktsignals in ein Gegentaktsignal, mit dem Ergebnis, daß das an den Leitungen 60 und 61 erscheinende Signal eine beträchtliche Gegentakt-Störkomponente aufweist. Das Gegentaktfilter 70 ist so ausgelegt, daß es für Gegentaktsignale einen Tiefpaß-Frequenzgang aufweist, so daß der Anteil der Gegentaktstörsignale unterdrückt wird, der außerhalb des Signaldurchlaßbereichs liegt.

In Fig.3 ist ein Schaltbild des Gegentaktfilters und des Gleichtaktfilters in der bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Differenzeingangssignal wird über Leitungen und 93 vom Kabel angekoppelt. Widerstände 94 und 96 liegen in Serie zwischen dem Differenzsignalweg, und sie bilden mit ihrem an Masse liegenden gemeinsamen Verbindungspunkt den Rückführungsweg für die Eingangsgleichspannung. Die Werte der Widerstände 90 und 92 sind klein im Vergleich zu den Werten der Widerstände 94 und 96. Die Widerstände und 92 werden zur Kompensation von Unsymmetrien verwendet, die in den Widerständen 94 und 96 auftreten können.

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Der Ausgang der Widerstandsschaltung ist mit dem Gleichtaktfilter verbunden. Das in der bevorzugten Ausführungsform verwendete Gleichtaktfilter ist den in der US-PS 3 778 beschriebenen Gleichtaktfilter ähnlich. In der in Fig.3 oben liegenden Seite des Differenzsignalwegs enthält das Filter eine Spule 98, die in Serie zum Signalweg liegt, sowie einen Kondensator 102, der den Signalweg nach Masse nebenschließt. In gleicher Weise enthält die unten liegende Seite des Differenzsignalwegs des Filters eine Spule 100, die in Serie zum Signalweg liegt, sowie einen Kondensator 104, der den Signalweg nach Masse nebenschließt· Der Fachmann kann erkennen, daß das Filter auf jeder Seite des Differenzsignalwegs aus einem einzigen LC-Tiefpaßfilterabs chnitt besteht. Es sei jedoch bemerkt, daß die Spulen 98 und 100 magnetisch gekoppelt sind. Entsprechend einer bekannten Vereinbarung ist der Sinn der gegenseitigen Kopplung in Fig.3durch die Position der Punkte bezüglich der zwei Spulen angegeben. Beim Gleichtaktfilter sind beide Punkte an der Eingangsseite der Spulen 98 und 100 angegeben. In der vorliegenden Beschreibung wird diese · Anordnung als direkte Transformatorkopplung bezeichnet.

In der bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen 98 und 100 bifilar auf den gleichen Kern gewickelt, so daß eine sehr feste Kopplung zwischen den Wicklungen "entsteht. Die Spulen 98 und 100 sind so gewickelt, daß sie den gleichen Induktivitätswert L haben; unter den Bedingungen der festen Kopplung kann angenommen werden, daß die Gegeninduktivität M ebenfalls den Wert L hat.

Der Frequenzgang des Filters für Gleichtakt-Eingangssignale hat einen Tiefpaßverlauf entweder mit oder ohne die transformatorkopplung zwischen den Spulen 98 und 100.

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_Wie jedoch in der US-PS 3 778 759 erklärt wird, bewirken die Spulen 98 und 100 in Anbetracht der ausgezeichneten Kopplung eine gegenseitige Auslöschung hinsichtlich irgendwelcher Gegentaktsignale, so daß eine Gegentaktfilterung ausgeschlossen wird. Es sei bemerkt, daß es bei derartigen Filtern manchmal erwünscht ist, Widerstände parallel zu den Kondensatoren 102 und 104 zu schalten. Eine richtige Auswahl dieser Widerstände bestimmt die Güte Q des resultierenden Tiefpaßfilters. In der bevorzugten Ausführungsform sind solche Widerstände jedoch nicht erforderlich; d£ Güte Q des Filters wird hier durch die richtige Auswahl der Wicklungswiderstände und der Kernverluste der Spulen 98 und 100 gesteuert.

Wie aus Fig.3 zu erkennen ist, ist der Gegentaktausgang jdes Gleichtaktfilters direkt an ein Gegentaktfilter angegeschlossen. In der bevorzugten Ausführungsform besteht das Gegentaktfilter aus zwei gleichen LC-Filterabschniten, die in Kaskade geschaltet sind.

Der erste Abschnitt enthält Wicklungen 106 und 108, die jeweils in Serie zu einer anderen Seite des Gegentaktsignalwegs am Ausgang des Filterabschnitts liegen. Die Wicklungen 106 und 108 sind auf den gleichen Kern 107 gewickelt. Die Kombination aus den Wicklungen und dem Kern kann -so aufgefaßt werden, als bestehe sie aus einer einzigen Spule, deren Wicklung in der Mitte geteilt ist. Der Vorteil der geteilten Spule besteht in der Symmetrie der Anordnung bezüglich der Streukapazität gegen Masse, so daß eine geringere Umsetzung der restlichen Gleich- -taktspannung in eine Gegentaktspannung erfolgt. Außerdem wird die Wicklungskapazität, insbesondere die Kapazität zwischen der Wicklung und dem Kern, vorteilhafter verteilt,

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als es bei einer einzigen Wicklung der Fall wäre. Der von dem Kondensator 110 und der zuvor erwähnten Spule aus den Wicklungen 106, 108 und dem Kern 107 gebildete LC-Filterabschnitt wirkt als Tiefpaßfilter für die Gegentaktsignale. Die Wicklungen 106 und 108 sind miteinander gekoppelt, jedoch ist aus den angegebenen Punkten zu erkennen, daß der Kopplungssinn in diesem Fall entgegengesetzt zum Kopplungssinn der Wicklungen des Gleichtaktfilters ist. Dies wird als umgekehrte Transformatorkopplung bezeichnet. In keiner induktiven Reaktanz der Spule treten Gleichtaktsignale auf, da die Wicklungen106 und 107 eine gegenseitige Löschungswirkung haben. Im Falle eines Gleichtaktsignals bewirken die induktiven Reaktanzen der Wicklungeni06 und 108 eine wirksame gegenseitige Löschung, so daß eine Gleichtaktfilterung und somit eine Umsetzung eines restlichen Gleichtaktsignals in ein Gegentaktsignal in diesem Abschnitt eliminiert werden. In der bevorzugten Ausführungsform enthält der zweite Abschnitt des Gegentaktfilters Wicklungen 112 und 114, von denen jeweils eine in Serie zu einer der beiden Seiten des Gegentaktsignalwegs liegt; ferner enthält der zweite Abschnitt einen Kern 113 und einen parallel zum Gegentaktausgang des Abschnitts liegenden Kondensator 116. Die zwei in Kaskade geschalteten LC-Äbschnitte. dienen dazu, einen Tiefpaß-Frequenzgang für Gegentaktsignale zu erzeugen.

Die in Fig.3 dargestellten Bauelemente haben vorzugsweise folgende Werte:

Widerstand 90 0 -20 Ω

Widerstand 92 10 Ω

Widerstände 94,96 10 kü

Spulen 98, 100 6 H

Kondensatoren 102, 104 0,01 uF

Kondensatoren 110,116 0,015 uF

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Die Gesamtinduktivität des ersten Abschnitts des Gegentaktfliters beträgt L₁₀6^+L108^+2M106,108» wobei L₁₀₆ und L₁₀₈ die Selbstinduktivitäten der Wicklungen 106 bzw.108 sind, während M_{1 Q}g ₁₀₈ die Gegeninduktivität zwischen diesen Wicklungen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Gesamtinduktivität den Wert 0,5 H in jedem Abschnitt des Gegentaktfilters.

Das Schaltbild des Verstärkers 76 von Fig.2 ist in Fig.4 dargestellt. Die Leitungen 120 und 122, die das Gegentakteingangssignal zum Verstärker übertragen, sind an den Gegentaktausgang des Gegentaktfilters von Fig.3 angeschlossen. Das Gegentakteingangssignal wird direkt an die Basis-Elektroden der Transistoren 140 und 142 angelegt, die zusammen mit den zugehörigen Widerstandsschaltungen und den Gleichspannungsverstärkern 156 und eine Differenzeingangsstufe des Verstärkers bilden. Die zwischen die Differenzeingangsleitungen geschalteten Dioden 124 und 126 schützen die Transistoren vor übergroßen Gegentaktsignalen. In gleicher Weise dienen die zwischen die Eingangsleitungen und an die Plus- und Minus-Bezugspotentiale gelegten Dioden 128, 130, 132 und 134 dem Schutz der Transistoren vor zu großen Gleichtaktsignalwerten. In der bevorzugten Ausführungsform haben die Plus- und Minus-Bezugsspannungen eine Amplitude von 6 Volt.

Die Transistoren 140 und 142 sind ein angepaßtes Paar rauscharmer Transistoren. Der Kollektor des Transir stors 140 ist über einen Lastwiderstand 150 und ein Potentiometer 154 an eine Versorgungsspannung von +15 Volt angelegt. In gleicher Weise ist der Kollektor de§ Transistors 142 über einen Lastwiderstand 152 und das Potentiometer 154 an diese Versorgungsspannung von +15VoIt angelegt. Die Kollektoren der Transistoren 14O. und 142 sorgen für die Ansteuerung der invertierenden Eing&g

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der Verstärker 156 bzw. 158. Die Verstärker 156 und 158 bestehen in der bevorzugten Aus führung sform zwar aus Rechenverstärkern, doch ist es lediglich erforderlich, daß diese Verstärker invertierende, gleichspannungsgekoppelte Verstärker mit hoher Verstärkung sind. Wenn sie, wie in der bevorzugten Ausführungsform, Rechenverstärker sind, sind die positive und die negative Stromversorgungsklemme an +15 Volt bzw. an -15 Volt angelegt, und die nicht invertierenden Eingänge beider Verstärker sind nach Fig.4 an eine Bezugsspannung von +10 V gelegt.

Der Ausgang des Verstärkers 156 ist über die Leitung 168 mit einem Ende des Rückkopplungswiderstandes 144 verbunden, dessen anderes Ende am Emitter des Transistors 140 angeschlossen ist. In gleicher Weise ist der Ausgang des Verstärkers 158 über die Leitung 166 mit einem Ende des Widerstandes 146 verbunden, dessen anderes Ende am Emitter des Transistors 142 angeschlossen ist. Der Widerstand 148, der zwischen den Emittern der Transistoren 140und 142 liegt, dient zusammen mit den Widerständen 144 und 146 dazu, die Gegentaktverstärkung der Eingangsstufe einzustellen. Wenn der Widerstand 144 mit R1, der Widerstand 146 mit R2 und der Widerstand 148 mit R3 bezeichnet werden, dann ergibt sich die Gegentaktverstärkung von den Basis-Elektroden der Transistoren 140 und 142 zu den Ausgängen der Verstärker 156 und 158 aus:

λ _ R1 + R2 + R3 (λ\

^ADM1~ TB~" ^K)

Die Gleichtaktverstärkung dieses Teils des Verstärkers hat den Wert 1. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis dieses Teils des Verstärkers ist somit gleich der Gegentaktverstärkung Aj^j . Die Gegentaktverstärkung A_DM>| sollte so hoch sein, wie es der Signalwert zuläßt, damit das maximale Gleichtaktunterdrückungsverhältnis erzielt wird.

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Die Kondensatoren 162 und 165 haben jeweils relativ kleine Kapazitätswerte; sie verhindern Hochfrequenzschwingungen in den Verstärkern.

Das Gegentaktausgangssignal der Verstärker 156 und 158 wird von einer Endverstärkerstufe verarbeitet, damit eine zusätzliche Gleichtaktunterdrückung erzielt wird, und damit ein unsymmetrisches und nicht ein symmetrisches Ausgangssignal für die Datenerfassungseinheit erzeugt wird. Der Ausgang des Verstärkers 156 ist über den Widerstand mit dem negierenden Eingang des Rechenverstärkers 178 verbunden, der ebenfalls mit den Spannungen von +15 Volt und -15VoIt versorgt wird. Die Rückkopplung vom Ausgang des Verstärkers 178 zum invertierenden Eingang erfolgt über einen Widerstand 174. Der Ausgang des Verstärkers ist über den Widerstand 172 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 178 verbunden. Dieser Eingang liegt über einen Widerstand 176 auch an Masse. Das Verhältnis des Werts des Widerstandes 170 zum Wert des Widerstandes 174 ist so gewählt,daß es gleich dem Verhältnis des Werts des Widerstandes 172 zum Wert des Widerstandes 176 ist. Bei Bezeichnung des Widerstands 170 mit R4 und des Widerstandes 174 mit R5 ist unter diesen Umständen vom Fachmann zu erkennen, daß die Gegentaktverstärkung der Endverstärkerstufe aus der folgenden Gleichung berechnet werden kann:

^ADM2 - ^R5 ^/R4 <²>

Im Idealfall hat die Gleichtaktverstärkung der letzten Stufe den Wert Null. In der Praxis hängt die Gleichtaktverstärkung von der Widerstandsanpassung und von der Gleichtaktunterdrückung des. Verstärkers 178 selbst ab. Ein typisches Gleichtaktunterdrückungsverhältnis für diese letzte Verstärkerstufe kann 60 dB bei niedrigen Frequenzen betragen.

Eine am Ausgang des Verstärkers 178 erscheinende Offset-Gleichspannung kann durch eine richtige Einstellung des Potentiometers 154 auf den Wert Null eingestellt werden,

Die Bauelemente des Verstärkers von Fig.4 können die folgenden Werte oder Typennummern haben:

Dioden 124, 126, , MPD200

Dioden 128, 130, 132, 134 IN914B

Transistoren 140, 142 . 2N2639

Widerstände 144, 146 3.32 kΩ

Widerstand 148 499 Ω

Widerstands 150, 152 90,9 kQ

Potentiometer 154 20 kΩ

Verstärker 156, 158, 178 LM312H

Kondensatoren 162, 164 47pF

Widerstände 170, 172 5 kQ

Widerstände 174, 176 7 kfi

Es ist eine Eingabeschaltung für eine mit langen Leitungen versehene Anordnung zur Erfassung seismischer Daten beschrieben worden. Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einer Anordnung zur Erfassung seismischer Daten beschrieben worden, doch ist dem Fachmann offensichtlich, daß die Eingabeschaltung in vorteilhafter Weise auch bei anderen Arten von Datenerfasaungssystemen angewendet werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

1, Y Anordnung zur Erf as sung von Daten, insbesondere seismischer Daten, mit wenigstens einem seismischen Wandler, bei der das von jedem der seismischen Wandler erzeugte Signal über ein eigenes Leiterpaar zu einer Datenerfassungseinheit gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem seismischen Wandler und die Datenerfassungseinheit

a) eine Filtervorrichtung zur Unterdrückung von Gleichtakt- und Gegentaktsignalen und

b) eine Verstärkervorrichtung mit hoher Gleichtaktunterdrückung

eingefügt sind.

2· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung ein Gleichtaktfilter zur Unterdrückung vonGleichtaktsignalen und ein Gegentaktfilter zur Unterdrückung von Gegentaktsignalen enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzielung einer nach Masse führenden Gleichstromrückführung für den Verstärker.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichtaktfilter wenigstens einen Gleichtaktfilterabschnitt mit Gegentakteingang und Gegentaktausgang aufweist, daß der Filterabschnitt ein erstes Paar magnetisch gekoppelter Spulen enthält, die jeweils zwischen den Eingang und den Ausgang des Abschnitts eingefügt sind, und daß in dem Filterabschniifc zwei

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Kondensatoren enthalten sind, die in Serie zwischen die Ausgänge des Abschnitts geschaltet sind, wobei eine Vorrichtung zum Anschließen des Verbindungspunkts der zwei Kondensatoren mit einem gemeinsamen Bezugspotential vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegentaktfilter wenigstens einen Gegentaktfilterabschnitt mit Gegentakteingang und Gegentaktausgang aufweist, und daß in dem Filterabschnitt ein zweites Spulenpaar enthalten ist, das -zwischen einen Eingang und einen Ausgang des Filterabschnitts geschaltet ist, wobei zwischen die Ausgangsanschlüsse des Abschnitts ein Kondensator eingefügt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen des zweiten Spulenpaars magnetisch gekoppelt sind, λ

7. Anordnung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung folgende Baueinheiten enthält:

a) eine Differenzeingangsstufe,

b) zwei Verstärker mit jeweils einem invertierenden Eingang, der an einem der Ausgänge der Differenzeingangsstufe angeschlossen ist,

c) eine Rückkopplungsvorrichtung zum Koppeln der Ausgangssignale der zwei Verstärker zu der Differenzeingangsstufe und

d) einen Rechenverstärker, der abhängig von den Ausgangssignalen der zwei Verstärker ein unsymmetrisches Ausgangssignal abgibt.

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8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die. zweiSpulen jedes Gleichtaktfilterabschnitts bifilar gewickelt sind,damit sich eine direkte Transformatorkopplung ergibt, und daß die zwei Spulen jedes Gegentaktfilterabschnitts so gewickelt sind,daß sich eine ungekehrte Transformatorkopplung ergibt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung folgende Baueinheiten enthält:

a) eine Eingangsstufe mit Differenzeingang und Differenzausgang,

b) zwei invertierende Verstärker, deren Eingänge an entgegengesetzten Seiten des Differenzausgangs angeschlossen sind,

c) eine Rückkopplungsschaltung, die die Ausgänge der zwei Verstärker mit der Eingangsstufe koppelt, und

d) eine Ausgangsstufe mit Differenzeingang, der an die Ausgänge der zwei Verstärker angeschlossen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Diodenschaltung am Eingang des Verstärkers zum Schutz der Verstärkervorrichtung vor zu großen Gleichtakt- und Gegentakt Signalen.·

11. Anordnung zum Ankoppeln mehrerer Leiterpaare an eine Einheit zur Erfassung seismischer Daten, wobei jedes Leiterpaar zu einem seismischen Wandler führt, dadurch gekennzeichnet, daß in Kaskade zwischen jedem der Leiterpaare und der Datenerfassungseinheit folgende Baueinheiten geschaltet sind:

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ä) eine erste Filtervorrichtung mit einem Tiefpaß-Frequenzgang für Gleichtaktsignale und mit einem im wesentlichen flachen Frequenzgang für Gegentaktsignale,

b) eine zweite Filtervorrichtung mit einemTiefpaß-Frequenzgang für Gegentaktsignale, wobei die erste und die zweite Filtervorrichtung eine zusammengesetzte Filtereinheit bilden, und

c) eine an den Ausgang der Filtereinheit angeschlossene Verstärkervorrichtung mit hoher Gleichtaktunterdrückung.

12. Anordnung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Filtervorrichtung einen im wesentlichen flachen . Frequenzgang für Gleichtaktsignale aufweist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung folgende Baueinheiten enthält:

a) eine Differenzeingangsstufe mit einem Differenzausgang,

b) zwei invertierende Verstärker, die £weils abhängig von einer anderen Seite des Differenzausgangs arbeiten,

. c) eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen die Ausgänge der zwei invertierenden Verstärker und die Differenzeingangsstufe eingefügt ist, und .

d) einen Rechenverstärker, der an die Ausgänge der zwei invertierenden Verstärker angeschlossen ist und einen unsymmetrisehen Ausgang aufweist.

14. Anordnung zum Koppeln eines von einem Leiterpaar gebildeten Datenkanals an eine Datenerfassungseinheit, gekennzeichnet durch :

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a) eine Filtervorrichtung zum Unterdrücken von Gleichtaktsignalen und von GegentaktSignalen und

b) eine Verstärkervorrichtung mit hoher GIeichtaktuntepdrückung,

15· Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung

a) ein erstes Filter mit einem Tiefpaß-Frequenzgang,für Gleichtaktsignale und einem im wesentlichen flachen Frequenzgang für Gegentaktsignale und

b) ein zweites Filter mit einem Tiefpaß-Frequenzgang für Gegentaktsignale

enthält.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter einen im wesentlichen flachen Frequenzgang für Gleichtaktsignale aufweist.

17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung folgende Baueinheiten enthält:

a) eine Eingangsstufe mit Differenzeingang und Differenzausgang,

b) einen Ausgangsverstärker mit Differenzeingang,

c) zwei invertierende Verstärker, deren Eingänge an entgegengesetzten Seiten des Differenzausgangs angeschlossen sind, wobei die von den negierenden Verstärkern erzeugten Signale an den Ausgangsverstärker angelegt sind, und

d) eine Rückkopplungsvorrichtung, die die Ausgänge der negierenden Verstärker mit der Eingangsstufe koppelt.

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18« Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter einen an das Leiterpaar angeschlossenen Differenzeingang aufweist, und zwei magnetisch gekoppelte Spulen, die jeweils zwischen einen der Leiter und eine Seite des Differenzausgangs des Filters angeschlossen sind, zwei in Serie zwischen die zwei Seiten des Differenzausgangs geschaltete Kondensatoren sowie eine Vorrichtung zum Verbinden des Verbindungspunkts der Kondensatoren mit einem Bezugspotential enthält.

19· Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter wenigstens eine Stufe aufweist, und daß jede Stufe zwei den Differenzeingang und den Differenzausgang der Stufe verbindende Spulen, die umgekehrt magnetisch gekoppelt sind, sowie einen zwischen die zwei Seiten des Differenzausgangs eingefügten Kondensator enthält.

20. Anordnung nach Anspruch 19,gekennzeichnet durch zwei Widerstände, die in Serie zwischen das Leiterpaar am Eingang der Anordnung eingefügt sind, und eine Kopplungsvorrichtung zum Koppeln des Verbindungspunkts der Widerstände mit einem Bezugspotential.

Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine von Dioden gebildete Schutzvorrichtung am Differenzeingang der Verstärkervorrichtung.

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