高密度电法仪数据采集系统的设计

何　刚，王　君，张碧勇，李　萌，马　超

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春　130061)

0　引言

高密度电法勘探仪器是常用的一种电法勘探仪器，该仪器在测量过程中不需要人工挪动电极位置，一次布极即可完成整个测区的测量[1]。其被广泛应用于深部构造、矿产资源、水文及工程地质、考古、环保、地质灾害等领域。现有的电法仪器只测量了AB电极的电流和MN电极的电压，对于AB电极的电压是通过计算AB电极的电流来得到。虽然AB电极的电压在理论上可以得到波形，但是实际发射过程要受到外界环境的影响，实际发射的波形会有区别，如果在数据后处理时没有考虑，会影响最后的测量分析精度；另外，如果通过AB电极的电流计算得到AB电极的电压，则会引入大地的噪声，对数据处理分析精度有影响。为此，在高密度电法数据采集系统中增加一路AB电极电压的测量通道，实现了同时采集3个通道信号。实验验证了该系统的可靠性和稳定性，对高密度电法仪在地球物理勘探中的应用具有重要的意义。

1　系统工作原理

高密度电法数据采集系统主要由工控机PC104、USB2．0接口、FPGA主控制器、三通道模拟信号采样及调理电路、三路24位A/D等组成。图1为高密度电法仪系统框图。

工控机PC104的上位机软件，用于控制和设置接收装置参数，并且实时显示数据、保存数据以及数据成图解释；USB2．0数据收发器，通过USB数据线与工控机相连，用来实现大数量的传递；主控制器FPGA通过USB2．0收发器与工控机相连进行大容量数据的传递，同时接收工控机各种控制功能的操作信号；三通道24位A/D转换电路用来实现地电模拟信号的数字转化功能。

2　硬件电路设计

2．1三通道模拟信号采样及调理电路

发射系统通过电极AB向地下供电，在AB供电回路中串接1个0.1 Ω的采样电阻，测得采样电阻两端的电压，进而得到电流IAB．通过在AB电极间电阻分压电路采集AB电极的电压。将三路模拟信号经过前置放大电路、50 Hz陷波电路、程控放大电路、单端转差分电路送往三路24位AD转换电路，实现地电模拟信号的数字转化功能。

2．1．1前置放大电路设计

由于采集的模拟信号很微弱，所以需要将采集到的三路模拟信号进行放大，前置放大电路采用运放LT1167设计。

2．1．250 Hz陷波电路设计

高密度电法仪在野外工作时，容易受到外界信号干扰，特别是在此频率范围内所受到的市电干扰。所以需要设计50 Hz陷波器滤除其干扰[2]。图2为50 Hz陷波电路。图中有源双T陷波器是由高精度RC组成的双T网络，它的纵臂不接地，而是接到运算放大器U2B的输出端。放大器U2B将U2A的部分输出信号反馈到双T网络的纵臂，由于是正反馈，所以将使陷波器的阻带变窄，Q值提高。其中，U2A和U2B接成电压跟随器的组态。电路的预期作用：实现陷波频率可调的双T网络有源滤波器，滤除50 Hz工频信号的干扰，提高模拟信号的信噪比，保证采集的信号的准确性。

图1　高密度电法仪系统框图

图2　50 Hz陷波电路

2．1．3程控放大电路设计

高密度电法仪野外工作时，根据测量的实际情况，采集到的信号经过前置放大，滤波之后的信号有可能达不到A/D的采集范围，因此就有必要在进入A/D之前加上信号放大电路，目的是根据采集信号的大小来选择放大倍数。图3为程控放大电路，由可编程增益放大器PGA204和PGA205两级放大器构成[3]。由逻辑变量A1、A2、A3、A4来控制增益，其增益可以设置为1～8 000。

图3　程控放大电路

2．1．4单端转差分电路

为了满足信号在较大范围内的测量以及增强信号的抗干扰性，需要将输入的信号转换成差分信号，使A/D采样精度更高。单端转差分电路采用OPA1632进行设计。

2．2模数转换电路设计

将3个通道的模拟信号经过采样电路、信号调理电路送往三路24位A/D进行转换。模数转换器采用AD7760进行设计。AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模数转换器，融合了宽输入带宽、高速特性与Σ-Δ转换技术的优势，2．5 MSPS时信噪比可达100 dB，因此非常适合高速数据采集应用。并且内部集成有低通数字FIR滤波器，可以根据需要编程选择抽取率。该芯片外围的配置对精度影响很大[4]。AD7760需要外部提供一个稳定的电压基准，这样才能进行有效的数据转换。

2．3FPGA控制模块设计

FPGA主控制器采用EP2C8Q208C8芯片，EP2C8Q208C8型FPGA基于SRAM查找表，在器件上电时配置数据必须重新加载，因此必须使用掉电保持器件来保存配置数据，然后在FPGA上电时将配置数据加载到FPGA中去。配置芯片EPCS4就可实现这种功能。FPGA主控制器通过控制三路AD7760转换电路，用来实现地电模拟信号的数字转化功能。

2．4USB2．0数据收发模块设计

USB采用CY7C68013A，它集成了USB2．0收发器、串行接口引擎、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。FPGA主控制器完成对USB芯片的控制，实现了FPGA与PC机的高速通信。

3　实验结果及分析

为了验证所设计的高密度电法数据采集系统的性能，对数据采集系统进行了整体测试。将28个阻值为230 Ω左右的电阻串连在一起，在每个节点处接上分布式电极转换装置，采用温纳跑极方法进行自动测量。发射系统发送3阶伪随机编码信号[5]，图4为3阶伪随机编码信号。

数据采集系统同时采集3个通道的模拟信号。图5为3个通道波形。

图4　3阶伪随机编码信号

图5　3个通道波形

将采集到的数据进行数据处理后，所得到的电阻值与实际阻值一致。图6为发射三阶伪随机信号3个主频的电阻曲线图。从而验证了数据采集系统精度高、稳定性好。

4　结论

设计的高密度电法数据采集系统，能够同时采集3个通道的电压波形。实验结果表明，设计的数据采集系统所测电阻曲线与实际电阻曲线一致。验证了该系统的可靠性和稳定性，对高密度电法仪在地球物理勘探中的应用具有重要的意义。

图6　测量电阻曲线图

参考文献：

[1]严加永，孟贵祥，吕庆田，等．高密度电法的进展与展望．物探与化探，2012，36(4)：576-584．

[2]姜宗义，龚卫宁，储德宝．一种新型有源陷波设计．中国生物医学工程学报，1997，16(4)：323-326．

[3]郭建平，王亮，郭正刚，等．单通道信号处理的前端信号调理模块的设计．仪表技术与传感器，2008(9)：99-101．

[4]郑晓亮，刘盛东．基于双处理器的并行采集网络电法仪器的设计．煤炭科学技术，2008，36(4)：85-88．

[5]何继善．广域电磁法和伪随机信号电法．北京：高等教育出版社，2010．