一种低噪声大地电磁数据采集电路设计＊

刘谋荣 刘小林 李文彬 孔亚丽

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

大地电磁场是一种信号十分微弱的天然场，其频率范围在104Hz～10－4Hz之间，幅值最低可到μV 级［1］。对于这种微弱信号的采集与检测，在电路设计方面着重要考虑的是系统的噪声性能［2］。现代电子技术条件下，A／D 器件的噪声水平要大于低噪声模拟运放的噪声水平。在小于10kHz信号条件下，低噪声模拟运放的噪声水平可以控制在10nV／Hz1／2以下［3］。为降低通道噪声的影响，在设计中加入可变增益放大器将信号放大，以利用模拟器件的优异低噪声特性，降低电路中各通道的系统噪声［4］。本文所设计的数据采集电路各通道噪声指标如下：3×10－6V／Hz1／2＠0.01Hz，3×10－7V／Hz1／2＠1Hz，3×10－8V／Hz1／2＠1kHz。

2 数据采集电路基本结构

数据采集电路的基本结构如图1所示，由电极或磁传感器采集的大地电磁信号，需要经过数据采集电路的滤波、放大及A／D 转换等处理，才能进行下一步的分析和处理。数据采集电路主要包括输入保护和信号衰减电路、低通滤波和缓冲放大电路、程控放大电路、电平转换电路、A／D 采样电路和光电隔离电路几个部分。

图1 数据采集电路框图

3 数据采集电路设计

3.1 输入保护和信号衰减电路

由于大地电磁探测设备是设计用于野外测试环境，在雷雨天气使用时，天线感应的雷电信号很大，需要在信号输入端设计防雷和防过载保护电路以保护设备。输入保护电路采用ESD 保护电路设计，以防止接线时的高压静电和过大的近场雷电信号损坏仪器。

由于磁传感器的输出电压范围在－10V～10V，而A／D的输入范围是0～5V，在工频信号较强的地区工作时，磁传感器的输出电压可能达到最大值，超出AD的输入信号电压范围。为了不超出A／D的输入电压要求，磁通道加入了一级1／4信号衰减选择电路，保证大地电磁探测设备在工频等人文干扰信号较强区域的使用。输入保护和信号衰减电路如图2所示。

图2 输入保护和信号衰减电路

3.2 低通滤波和缓冲放大电路

在大地电磁场测量中，总是存在着一些高频干扰，例如，广播频率和大气层中的高频噪声，这些高频干扰，通过非线性和相互调制作用，就会产生一些低噪干扰［7］。因此在通道输入前端应设计一个低通滤波电路，以滤除电场中存在的高频干扰。电路由两级低通滤波电路和缓冲放大电路组成，如图3所示。

图3 低通滤波和缓冲放大电路

经保护电路输出的信号需通过一级低通滤波电路滤除带外干扰，由于输入信号的阻抗不确定，该电路采用一阶无源LC低通滤波设计，3dB点设在16kHz，初步滤除无线电台的电磁干扰信号。

程控放大器的输入阻抗，难以满足数据采集电路的输入阻抗要求，在一级低通滤波电路后面设计了一个缓冲放大器，该缓冲放大器采用高输入阻抗的低噪声放大器，采用平衡输入输出放大设计，以降低共模干扰。缓冲放大不仅补偿输入信号经过低通放大器的衰减，同时满足了数据采集电路的输入阻抗要求［9］。

二级低通滤波器前面有一级缓冲放大器，设计滤波器时可以按最佳的输入、输出阻抗特性进行设计，二级低通滤波器设计为二阶无源∏型低通滤波器，3dB点设在16kHz。进一步对无线电台的电磁干扰信号进行滤除［8］。

3.3 程控放大电路

大地电磁信号的动态范围很大，通常从几十微伏到几伏，因此，放大电路不能采用固定放大倍数的放大电路，为了提高所采集的大地电磁信号的精度，必须结合程控放大方式来自动调节增益［6］。程控放大电路采用8nV／Hz1／2的低噪声平衡输入输出程控放大器，可变增益范围为1、2、4、8、16、32、64 倍，用户可 根据环境噪声情况选 择 合 适的增益，以获得更佳的信噪比。程控放大电路采用的运放结构图如图4所示，通过控制GAIN0、GAIN1、GAIN2管脚实现不同增益的选择。

图4 程控放大运放结构图

3.4 电平转换电路

由于A／D 电路的输入电平范围为0～5V，而前级平衡程控放大器输出的信号范围为－2.5V～2.5V，为适应A／D的输入电平范围，加入了一级电平转换电路将－2.5V～2.5V 信号调理到0～5V。电平转换电路如图5所示。

图5 电平转换电路

3.5 A／D 采样电路

针对大地电磁探测设备电磁信号采集方式和要求，频率比较高的情况下，需要采用高速率采样以满足过采样的要求和获得足够长度的采样点，以保证后续的数字信号处理的精度；而频率较低时，可以采用较低的采样率，但同时也须有更高的有效分辨率和精度。A／D 采样电路主要由A／D 转换器和其附属的抗混叠滤波电路组成，实现两路电通道和三路磁通道信号的模数转换。A／D 芯片选择时除了考虑处理带宽和噪声性能外，还选择具有线性相位滤波和带内波动小的芯片，以保证通道的相位特性，同时增强通道校准补偿的准确性［10］。

3.6 光电隔离电路

为减少CPU 处理模块、数字处理模块等数字电路工作时对数据采集电路的干扰，数据采集电路与CPU 处理模块和数字处理模块等数字电路相连的I／O 管脚都进行了光电隔离处理，以减少数字噪声干扰［5］。

4 噪声测试与分析

将数据采集电路各电通道和磁通道输入端短接，可测得各通道在不同频率下的背景噪声，如图6 和图7 所示。由图可知系统噪声性能测试结果满足设计指标要求，也满足大地电磁信号的采集要求。

图6 1kHz通道背景噪声

图7 1Hz和0.01Hz通道背景噪声

5 结语

本文设计了一种低噪声的大地电磁数据采集电路，对各功能单元电路进行了分析和论证，噪声测试的结果表明该电路具有良好的低噪声特性，满足系统指标设计要求和大地电磁信号的探测和采集要求。

［1］刘国林，邓前辉，等.电磁方法研究与勘探［M］.北京：地震出版社，1993：28－30.

［2］屈栓柱.超长周期地电信号采集电路的设计与实现［D］.中国地质大学硕士学位论文，2008：5－12.

［3］陈佳圭.微弱信号检测［M］.北京：中央广播电视大学出版社，1987：46－49.

［4］陈其津.低噪声电路［M］.重庆：重庆大学出版社，1988：59－71.

［5］Herry W.Ott.电子系统中噪声的抑制和衰减技术［M］.第二版.王培清，李迪译.电子工业出版社，2003：82－94.

［6］张文秀.大深度分布式电磁探测接收系统原理样机研究［D］.长春：吉林大学硕士学位论文，2009：30－34.

［7］张秀成.大地电磁测深测量及仪器［M］.北京：地质出版社，1989：9－13.

［8］远坂俊昭.测量电子电路——模拟篇［M］.彭军译.北京：科学出版社，2006：61－69.

［9］冈村迪夫.OP放大电路设计［M］.王玲，徐雅珍等译.北京：科学出版社，2004：214－219.

［10］万娟.地震数据采集系统中的数字滤波器设计［D］.合肥：中国科学技术大学学位论文，2003：6－10.