长周期大地电磁测深仪中电场信号采集电路研究

高　嵩， 邹海春， 任　鹏， 陆仡崴， 卞江伟

(1.成都理工大学 a.信息科学与技术学院，b.地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都　610059;2.电子科技大学　电子工程学院，成都　611731)



长周期大地电磁测深仪中电场信号采集电路研究

高嵩1a,b， 邹海春1a*， 任鹏1a， 陆仡崴2， 卞江伟1b

(1.成都理工大学 a.信息科学与技术学院，b.地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都610059;2.电子科技大学电子工程学院，成都611731)

摘要：在长周期大地电磁测深仪中，探测的大地电场信号频率低、频带宽、能量弱、幅度小且易受环境噪声的影响。为了提高大地电场信号的测量精度，基于STM32微处理器，以TI公司的运算放大器和模数转换器相结合，搭建了由增益放大器、低通滤波器、差分驱动器、高精度Δ-∑A/D转换器和微处理器组成的一种长周期大地电场信号数据采集电路。测试表明，采集电路的主要技术指标满足电场信号采集要求。

关键词：大地电磁； 电场信号； STM32； 模数转换； 数据采集

0引言

1电路整体结构设计

长周期大地电磁测深方法中电场信号需要对南北电场、东西电场变化进行测量。因此，电路使用独立的两通道采集电路来实现同时对南北、东西电场信号的并行数据采集。设计两通道数据采集电路结构如图1所示，电场信号采集电路主要由信号调理电路、模数转换电路和主控单元组成，其工作原理是采集电路采用不极化电极获取电场信号，不极化电极直接接入信号调理电路进行放大滤波处理，再经过A/D差分驱动电路将前级单极性信号转换为全差分双极性信号给模数转换器，主控单元中微处理器通过SPI读取模数转换器数据寄存器的值并存储到SD卡中[4-5]，同时微处理器通过GPS实现授时和记录测量点地理位置信息，并实时通过串口输出采集数据。

2电路设计

2.1信号调理电路

信号调理电路主要由增益放大电路和滤波电路组成。两个电场信号采集通道是相对独立的电路，其电路结构和使用元器件相同。因此，这里以单通道采集电路为例，信号调理电路图如图2所示。

1)测量的大地电场信号能量弱、幅度小等特点，电路要对电场输入信号进行放大处理。放大电路作为电场信号直接输入端，对整个采集电路噪声影响最大，它应具有较高的输入阻抗和很强的抗共模干扰能力，常用具有差分形式的放大器，为了达到较高的动态范围和信噪比，在各级运算放大器芯片选型都要考虑低噪声和低漂移特性，因此增益放大电路由全差分仪表运算放大器INA128和高精度低噪声运算放大器OPA277两级放大电路级联组成，即图2中U1、U2组成的电路，总增益计算公式为式(1)。

A=A1×A2

(1)

其中：A1=1+50 kΩ/R1、A2=1+R4/R3分别为两级放大电路增益。

图1　电路结构框图Fig．1　Circuit structure diagram

图2　信号调理电路Fig．2　Signal conditioning circuit

2)电场信号频率低且易受环境噪声的影响，为增强有效信号，应在初级放大后加入低通滤波，滤除高频干扰后再进行放大，否则，两级放大难以发挥作用，同时还有可能使放大器饱和或不正常工作。滤波电路的幅频响应需满足在通带中具有平坦的幅度特性，在阻带内具有较快的衰减率，综合电路复杂度和成本，电路中由两片OPA277运放芯片U3、U4组成了一个四阶巴特沃斯低通滤波器，四阶巴特沃斯低通滤波器不仅具有通频带内响应平坦，衰减特性和相位特性好，阻带衰减率可达-80 dB/dec(十倍程)，符合电场信号滤波电路设计需求。长周期大地电场信号频率对应的范围为105S～n×104S ，为了抑制较高频率的干扰，设计电路截止频率为0.35 Hz。RC电路中R=R5=R6=R7=R8、C=C5=C6=C7=C8。利用Multisim软件仿真此四阶巴特沃斯低通滤波器，调整R、C的值，仿真滤波电路幅频响应曲线，最终达到如图3所示幅频响应效果，图3表明衰减为-3 dB时的截止频率为336.878 mHz左右，阻带衰减率为-80 dB/dec，满足设计需求。

2.2A/D转换电路

为了提高采样精度和信噪比，且ADC非线性误差小，还要有同步引脚，实现两通道电场信号数据采集电路ADC同步采集。模数转换电路采用TI公司的高精度Δ-∑A/D转换器ADS1281，其是一款性能优越并且控制非常灵活的单通道全差分输入模数转换器，片内固化有一个四阶Δ-∑转换器，能够提供优异的噪声和线性性能，还提供片上增益和偏置寄存器来进行系统校准，另外引脚(SYNC)可以作为多片ADS1281工作的同步信号端，数据输出格式为32位二进制补码，通常应用于能源勘探和地震监测高精度测量的设计当中。电路图如图4所示，ADS1281需要接入的数字电源3.3 V和模拟电源±2.5 V，以及参考电压源Ref+=+2.5 V,Ref-=-2.5 V，通过SPI与微处理器进行数据交换，同步信号输入引脚SYNC能够使两通道ADS1281同步数据采集。

图3　幅频响应曲线Fig．3　The amplitude frequency response curve

图4　A/D转换电路Fig．4　A/D conversion circuit

由于ADS1281为全差分输入模数转换器，但由信号调理电路输出为单极性信号，为了信号匹配，需要把信号调理电路输出的单极性信号转换为全差分信号来驱动ADS1281。因此,A/D转换电路不仅要有模数转换电路，还要有A/D全差分驱动电路，图4电路中A/D全差分驱动电路就是由U5芯片OPA1632构成,单端输入差动输出的放大器电路，外接电阻R9和R13的配对不仅精度对电路增益有影响还对差动放大器CMRR造成影响，所以电阻精度必须在0.1%以上。并联在反馈电阻R13上的电容C13用于相位补偿。C15和C16是电源的去耦电容，连接时就近芯片电源引脚。

式中,μ0为真空磁导率,其值为μ0=4π×10-7 N/A2,JS为面电流密度,R为曲面上一点到空间上一点的距离矢量。

2.3主控单元电路

该电路是整个设计电路的控制部分，主要实现读取数据、处理数据和存储数据的功能(图5)。在电场信号采集中不仅需要两通道的同步采集，还需要存储采集数据，设计选用基于ARM Cortex-M3为内核的微处理器STM32F103ZET6，其主频可达72 MHz，可以满足高速的数据采集和处理等功能，具备多路SPI接口，可以实现两通道电场信号并行采集，以及SDIO接口可以更加方便地应用SD卡存储技术，这种接口方式数据传输速率是通过SPI接口写入SD卡的四倍，能更快速地存储长时间的数据缓存。

GPS模块采用和芯星通公司的北斗/GPS混合定位模块UM220-III N设计，串口以波特率为115 200 bps将GPS模块5 Hz更新数据传输到STM32，在采集电路中主要实现授时和定位功能。读取数据时，STM32首先通过GPS对系统进行授时和地理信息获取，作为基本信息存储到SD卡后，再通过SPI总线分别读取两片ADS1281的数据寄存器，并将读取的数据处理后按照特定文件协议存储到SD卡中，且通过STM32串口1输出实时数据,上位机可以通过串口1实时监控数据。

图5　主控单元电路Fig．5　The main control unit circuit

3软件设计

系统的控制软件处理流程如图6所示，系统初始化包含时钟、IO口、串口、SPI、SD卡和A/D转换器初始化，初始化完成后系统等待进行采样率、电场极距设置等，然后判断是否开始采集，确认开始采集后，先进行GPS时间校准和地理坐标获取，此为方便记录采集的准确时间与采集地点，然后进行AD数据采集。

图6　软件处理流程Fig．6　Flowchart of software process

为了提高SD卡的存储速度和降低存储数据量，采用二进制格式存储数据，而且软件中开辟有数据缓存区，先把数据存在缓存区，待缓存满后将数据一次性写入SD卡中，这样就避免了频繁的读写SD卡，提高了数据存储的效率。为了方便SD卡存储文件管理并且与PC机之间兼容得更好，选择FatFs文件系统对SD卡信息进行管理，FatFs是一个通用的、免费开源的文件管理模块，遵循标准ANSIC协议，具有良好的平台独立性，可移植性强等特点。

4电路主要指标测试

4.1低通滤波电路测试

对单一通道的前级信号调理电路进行测试，采用普源精电DG4062信号发生器产生从10 Hz逐步降到0.5 Hz直流偏移为100 mv幅度为100 mV的正弦波信号,用示波器观察四阶低通滤波电路的输入输出波形(图7)。图7中CH1为滤波后输出波形，CH2为信号发生器输入信号，图7(a)为输入频率为10 Hz时输入输出波形，图7(b)为输入频率为0.5 Hz时输入输出波形，采用公式(2)根据输入输出波形幅度计算输入0.5 Hz时衰减Aν≈-6 dB,结果表明，电路符合设计四阶低通滤波器的幅频特性。

Aν=-2×log(V1/V2)

(2)

4.2系统噪声测试

分别对单一通道进行输入端短路测试，设置采样率为1 Hz，采样长度为2 h，采集数据7 200点，测试系统噪声水平，2 h以内其噪声峰-峰值Vpp在6 uV左右，运用公式(3)计算两通道电路的噪声均方差值σ[6],两通道噪声测试结果见表1，两通道的均方差值都小于1 uV。

(3)

图7　滤波效果图Fig．7　The filtering effect chart(a)输入信号10 Hz;(b)输入信号0.5 Hz

4.3线性度测试

δ=ΔYmax`/VFs×100%

(4)

表2所列出即为两通道残差最大值及线性度，得到两通道的线性度约0.05‰。

图8　拟合和残差值分布结果Fig．8　The results of fitting and residual value distribution(a)通道1线性拟合;(b)通道2线性拟合;(c)通道1残差分布;(d)通道2残差分布

通道号12残差最大值/uV126129线性度/‰0.0500.051

4.4道间串扰测试

对于多通道数据采集系统，当某一通道输入信号比较大时，会对其他通路产生干扰，因此道间串扰指的就是采集电路各个模拟通道之间相互产生的干扰信号[7]。计算时用有效信号的均方根比上串扰信号的均方根来表示(公式(5))。测试时，首先将通道1接入2.5 V,10 MHz交流正弦信号，通道2短路，测试50个周期，得到两个通道输出信号Vsin、Vcr，根据采集数据计算得出通道2对通道1的串扰抑制比JCr1=113 dB；反之，交换两通道输入信号测试后，根据采集数据可计算得Cr2=-100 dB。由此表明系统信道间的串扰抑制比可达-110 dB左右，其信道间具有很好的隔离作用。

(5)

5结论

长周期大地电磁测深仪在深部探测领域应用广泛，而国内众多地质单位大都采用购买国外仪器，其购买和维修成本比较昂贵。为了降低使用成本，同时也提高自主研发能力，课题组基于TI公司的高精度AD芯片，STM32开发平台，自主研发了长周期大地电磁仪中大地电场数据采集电路。该电路系统噪声均方差优于1 uV，平均功耗小于1 W，适用于长周期的野外作业。同时,具有GPS校时定位功能，符合长周期大地电场信号观测的需求。针对已测得的电路各项指标，在后续的研究工作中，将不断进行改进升级，提高性能指标，同时加快大地电磁中磁场信号数据采集电路和关键传感器的研制，最终研制出整套的长周期大地电磁测深仪。

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收稿日期：2015-05-20改回日期：2015-06-17

基金项目:国家高技术研究发展计划(2014AA06A612)；四川省国土资源厅科学研究计划(KJ-2014-4)

作者简介：高嵩(1972-)男，博士，研究方向为地球物理仪器、无人机技术应用，E-mail:1491736@qq.com。 *通信作者：邹海春(1991-)，男，硕士，研究方向为仪器仪表及信号与信息处理，E-mail:zouhc409@qq.com。

文章编号：1001-1749(2016)03-0321-06

中图分类号：P 631.2

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.05

Research on electric field signal acquisition circuit in the long period magneto-telluric sounding instrument

GAO Song1a,b, ZOU Hai-chun1a*, REN Peng1a, LU Yi-wei2, BIAN Jiang-wei1b

(1,Chengdu University of Technology,a.College of Information Science and Technology b.Key Laboratory of earth exploration and information technology of MOE，Chengdu610059,China;2.School of Electronic Engineering of UESTC,University of Eleltronic Science and Teehnology,Chengdu611731,China)

Abstract:The earth electric field signal detected in the long period magneto-telluric Method is a low frequency, broadband, weak energy, small amplitude signal and easily affected by environmental noise. According to these characteristics of the earth electric field signal, a long period the earth electric field data acquisition circuit, which mainly consists of a gain amplifier, low pass filter, differential driver and high-precision Δ-∑A/D converter and microprocessor, was built in order to improve the measurement precision based on the STM32 microprocessor. It makes use of the TI's the operational amplifier and the analog-to-digital converter combined. The tests show that the main technical indexes of acquisition circuit can meet the acquisition requirements of the earth electric field signal.

Key words:magneto-telluric; electric field signal; STM32; A/D converter; data acquisition