長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深儀中電場(chǎng)信號(hào)采集電路研究

高　嵩， 鄒海春， 任　鵬， 陸仡崴， 卞江偉

(1.成都理工大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b.地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610059;2.電子科技大學(xué)　電子工程學(xué)院，成都　611731)

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長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深儀中電場(chǎng)信號(hào)采集電路研究

高嵩1a,b， 鄒海春1a*， 任鵬1a， 陸仡崴2， 卞江偉1b

(1.成都理工大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b.地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059;2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731)

摘要：在長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深儀中，探測(cè)的大地電場(chǎng)信號(hào)頻率低、頻帶寬、能量弱、幅度小且易受環(huán)境噪聲的影響。為了提高大地電場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量精度，基于STM32微處理器，以TI公司的運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，搭建了由增益放大器、低通濾波器、差分驅(qū)動(dòng)器、高精度Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器組成的一種長(zhǎng)周期大地電場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路。測(cè)試表明，采集電路的主要技術(shù)指標(biāo)滿足電場(chǎng)信號(hào)采集要求。

關(guān)鍵詞：大地電磁； 電場(chǎng)信號(hào)； STM32； 模數(shù)轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)采集

0引言

1電路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深方法中電場(chǎng)信號(hào)需要對(duì)南北電場(chǎng)、東西電場(chǎng)變化進(jìn)行測(cè)量。因此，電路使用獨(dú)立的兩通道采集電路來實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)南北、東西電場(chǎng)信號(hào)的并行數(shù)據(jù)采集。設(shè)計(jì)兩通道數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，電場(chǎng)信號(hào)采集電路主要由信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和主控單元組成，其工作原理是采集電路采用不極化電極獲取電場(chǎng)信號(hào)，不極化電極直接接入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波處理，再經(jīng)過A/D差分驅(qū)動(dòng)電路將前級(jí)單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分雙極性信號(hào)給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主控單元中微處理器通過SPI讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)寄存器的值并存儲(chǔ)到SD卡中[4-5]，同時(shí)微處理器通過GPS實(shí)現(xiàn)授時(shí)和記錄測(cè)量點(diǎn)地理位置信息，并實(shí)時(shí)通過串口輸出采集數(shù)據(jù)。

2電路設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要由增益放大電路和濾波電路組成。兩個(gè)電場(chǎng)信號(hào)采集通道是相對(duì)獨(dú)立的電路，其電路結(jié)構(gòu)和使用元器件相同。因此，這里以單通道采集電路為例，信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2所示。

1)測(cè)量的大地電場(chǎng)信號(hào)能量弱、幅度小等特點(diǎn)，電路要對(duì)電場(chǎng)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。放大電路作為電場(chǎng)信號(hào)直接輸入端，對(duì)整個(gè)采集電路噪聲影響最大，它應(yīng)具有較高的輸入阻抗和很強(qiáng)的抗共模干擾能力，常用具有差分形式的放大器，為了達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，在各級(jí)運(yùn)算放大器芯片選型都要考慮低噪聲和低漂移特性，因此增益放大電路由全差分儀表運(yùn)算放大器INA128和高精度低噪聲運(yùn)算放大器OPA277兩級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)組成，即圖2中U1、U2組成的電路，總增益計(jì)算公式為式(1)。

A=A1×A2

(1)

其中：A1=1+50 kΩ/R1、A2=1+R4/R3分別為兩級(jí)放大電路增益。

圖1　電路結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　Circuit structure diagram

圖2　信號(hào)調(diào)理電路Fig．2　Signal conditioning circuit

2)電場(chǎng)信號(hào)頻率低且易受環(huán)境噪聲的影響，為增強(qiáng)有效信號(hào)，應(yīng)在初級(jí)放大后加入低通濾波，濾除高頻干擾后再進(jìn)行放大，否則，兩級(jí)放大難以發(fā)揮作用，同時(shí)還有可能使放大器飽和或不正常工作。濾波電路的幅頻響應(yīng)需滿足在通帶中具有平坦的幅度特性，在阻帶內(nèi)具有較快的衰減率，綜合電路復(fù)雜度和成本，電路中由兩片OPA277運(yùn)放芯片U3、U4組成了一個(gè)四階巴特沃斯低通濾波器，四階巴特沃斯低通濾波器不僅具有通頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，衰減特性和相位特性好，阻帶衰減率可達(dá)-80 dB/dec(十倍程)，符合電場(chǎng)信號(hào)濾波電路設(shè)計(jì)需求。長(zhǎng)周期大地電場(chǎng)信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的范圍為105S～n×104S ，為了抑制較高頻率的干擾，設(shè)計(jì)電路截止頻率為0.35 Hz。RC電路中R=R5=R6=R7=R8、C=C5=C6=C7=C8。利用Multisim軟件仿真此四階巴特沃斯低通濾波器，調(diào)整R、C的值，仿真濾波電路幅頻響應(yīng)曲線，最終達(dá)到如圖3所示幅頻響應(yīng)效果，圖3表明衰減為-3 dB時(shí)的截止頻率為336.878 mHz左右，阻帶衰減率為-80 dB/dec，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

為了提高采樣精度和信噪比，且ADC非線性誤差小，還要有同步引腳，實(shí)現(xiàn)兩通道電場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路ADC同步采集。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的高精度Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器ADS1281，其是一款性能優(yōu)越并且控制非常靈活的單通道全差分輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)固化有一個(gè)四階Δ-∑轉(zhuǎn)換器，能夠提供優(yōu)異的噪聲和線性性能，還提供片上增益和偏置寄存器來進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，另外引腳(SYNC)可以作為多片ADS1281工作的同步信號(hào)端，數(shù)據(jù)輸出格式為32位二進(jìn)制補(bǔ)碼，通常應(yīng)用于能源勘探和地震監(jiān)測(cè)高精度測(cè)量的設(shè)計(jì)當(dāng)中。電路圖如圖4所示，ADS1281需要接入的數(shù)字電源3.3 V和模擬電源±2.5 V，以及參考電壓源Ref+=+2.5 V,Ref-=-2.5 V，通過SPI與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同步信號(hào)輸入引腳SYNC能夠使兩通道ADS1281同步數(shù)據(jù)采集。

圖3　幅頻響應(yīng)曲線Fig．3　The amplitude frequency response curve

圖4　A/D轉(zhuǎn)換電路Fig．4　A/D conversion circuit

由于ADS1281為全差分輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但由信號(hào)調(diào)理電路輸出為單極性信號(hào)，為了信號(hào)匹配，需要把信號(hào)調(diào)理電路輸出的單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)來驅(qū)動(dòng)ADS1281。因此,A/D轉(zhuǎn)換電路不僅要有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，還要有A/D全差分驅(qū)動(dòng)電路，圖4電路中A/D全差分驅(qū)動(dòng)電路就是由U5芯片OPA1632構(gòu)成,單端輸入差動(dòng)輸出的放大器電路，外接電阻R9和R13的配對(duì)不僅精度對(duì)電路增益有影響還對(duì)差動(dòng)放大器CMRR造成影響，所以電阻精度必須在0.1%以上。并聯(lián)在反饋電阻R13上的電容C13用于相位補(bǔ)償。C15和C16是電源的去耦電容，連接時(shí)就近芯片電源引腳。

式中,μ0為真空磁導(dǎo)率,其值為μ0=4π×10-7 N/A2,JS為面電流密度,R為曲面上一點(diǎn)到空間上一點(diǎn)的距離矢量。

2.3主控單元電路

該電路是整個(gè)設(shè)計(jì)電路的控制部分，主要實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能(圖5)。在電場(chǎng)信號(hào)采集中不僅需要兩通道的同步采集，還需要存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)選用基于ARM Cortex-M3為內(nèi)核的微處理器STM32F103ZET6，其主頻可達(dá)72 MHz，可以滿足高速的數(shù)據(jù)采集和處理等功能，具備多路SPI接口，可以實(shí)現(xiàn)兩通道電場(chǎng)信號(hào)并行采集，以及SDIO接口可以更加方便地應(yīng)用SD卡存儲(chǔ)技術(shù)，這種接口方式數(shù)據(jù)傳輸速率是通過SPI接口寫入SD卡的四倍，能更快速地存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)緩存。

GPS模塊采用和芯星通公司的北斗/GPS混合定位模塊UM220-III N設(shè)計(jì)，串口以波特率為115 200 bps將GPS模塊5 Hz更新數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32，在采集電路中主要實(shí)現(xiàn)授時(shí)和定位功能。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，STM32首先通過GPS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)和地理信息獲取，作為基本信息存儲(chǔ)到SD卡后，再通過SPI總線分別讀取兩片ADS1281的數(shù)據(jù)寄存器，并將讀取的數(shù)據(jù)處理后按照特定文件協(xié)議存儲(chǔ)到SD卡中，且通過STM32串口1輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),上位機(jī)可以通過串口1實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖5　主控單元電路Fig．5　The main control unit circuit

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制軟件處理流程如圖6所示，系統(tǒng)初始化包含時(shí)鐘、IO口、串口、SPI、SD卡和A/D轉(zhuǎn)換器初始化，初始化完成后系統(tǒng)等待進(jìn)行采樣率、電場(chǎng)極距設(shè)置等，然后判斷是否開始采集，確認(rèn)開始采集后，先進(jìn)行GPS時(shí)間校準(zhǔn)和地理坐標(biāo)獲取，此為方便記錄采集的準(zhǔn)確時(shí)間與采集地點(diǎn)，然后進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集。

圖6　軟件處理流程Fig．6　Flowchart of software process

為了提高SD卡的存儲(chǔ)速度和降低存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，采用二進(jìn)制格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且軟件中開辟有數(shù)據(jù)緩存區(qū)，先把數(shù)據(jù)存在緩存區(qū)，待緩存滿后將數(shù)據(jù)一次性寫入SD卡中，這樣就避免了頻繁的讀寫SD卡，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。為了方便SD卡存儲(chǔ)文件管理并且與PC機(jī)之間兼容得更好，選擇FatFs文件系統(tǒng)對(duì)SD卡信息進(jìn)行管理，F(xiàn)atFs是一個(gè)通用的、免費(fèi)開源的文件管理模塊，遵循標(biāo)準(zhǔn)ANSIC協(xié)議，具有良好的平臺(tái)獨(dú)立性，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4電路主要指標(biāo)測(cè)試

4.1低通濾波電路測(cè)試

對(duì)單一通道的前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)試，采用普源精電DG4062信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生從10 Hz逐步降到0.5 Hz直流偏移為100 mv幅度為100 mV的正弦波信號(hào),用示波器觀察四階低通濾波電路的輸入輸出波形(圖7)。圖7中CH1為濾波后輸出波形，CH2為信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)，圖7(a)為輸入頻率為10 Hz時(shí)輸入輸出波形，圖7(b)為輸入頻率為0.5 Hz時(shí)輸入輸出波形，采用公式(2)根據(jù)輸入輸出波形幅度計(jì)算輸入0.5 Hz時(shí)衰減Aν≈-6 dB,結(jié)果表明，電路符合設(shè)計(jì)四階低通濾波器的幅頻特性。

Aν=-2×log(V1/V2)

(2)

4.2系統(tǒng)噪聲測(cè)試

分別對(duì)單一通道進(jìn)行輸入端短路測(cè)試，設(shè)置采樣率為1 Hz，采樣長(zhǎng)度為2 h，采集數(shù)據(jù)7 200點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)噪聲水平，2 h以內(nèi)其噪聲峰-峰值Vpp在6 uV左右，運(yùn)用公式(3)計(jì)算兩通道電路的噪聲均方差值σ[6],兩通道噪聲測(cè)試結(jié)果見表1，兩通道的均方差值都小于1 uV。

(3)

圖7　濾波效果圖Fig．7　The filtering effect chart(a)輸入信號(hào)10 Hz;(b)輸入信號(hào)0.5 Hz

4.3線性度測(cè)試

δ=ΔYmax`/VFs×100%

(4)

表2所列出即為兩通道殘差最大值及線性度，得到兩通道的線性度約0.05‰。

圖8　擬合和殘差值分布結(jié)果Fig．8　The results of fitting and residual value distribution(a)通道1線性擬合;(b)通道2線性擬合;(c)通道1殘差分布;(d)通道2殘差分布

通道號(hào)12殘差最大值/uV126129線性度/‰0.0500.051

4.4道間串?dāng)_測(cè)試

對(duì)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)某一通道輸入信號(hào)比較大時(shí)，會(huì)對(duì)其他通路產(chǎn)生干擾，因此道間串?dāng)_指的就是采集電路各個(gè)模擬通道之間相互產(chǎn)生的干擾信號(hào)[7]。計(jì)算時(shí)用有效信號(hào)的均方根比上串?dāng)_信號(hào)的均方根來表示(公式(5))。測(cè)試時(shí)，首先將通道1接入2.5 V,10 MHz交流正弦信號(hào)，通道2短路，測(cè)試50個(gè)周期，得到兩個(gè)通道輸出信號(hào)Vsin、Vcr，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算得出通道2對(duì)通道1的串?dāng)_抑制比JCr1=113 dB；反之，交換兩通道輸入信號(hào)測(cè)試后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)可計(jì)算得Cr2=-100 dB。由此表明系統(tǒng)信道間的串?dāng)_抑制比可達(dá)-110 dB左右，其信道間具有很好的隔離作用。

(5)

5結(jié)論

長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深儀在深部探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而國(guó)內(nèi)眾多地質(zhì)單位大都采用購(gòu)買國(guó)外儀器，其購(gòu)買和維修成本比較昂貴。為了降低使用成本，同時(shí)也提高自主研發(fā)能力，課題組基于TI公司的高精度AD芯片，STM32開發(fā)平臺(tái)，自主研發(fā)了長(zhǎng)周期大地電磁儀中大地電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集電路。該電路系統(tǒng)噪聲均方差優(yōu)于1 uV，平均功耗小于1 W，適用于長(zhǎng)周期的野外作業(yè)。同時(shí),具有GPS校時(shí)定位功能，符合長(zhǎng)周期大地電場(chǎng)信號(hào)觀測(cè)的需求。針對(duì)已測(cè)得的電路各項(xiàng)指標(biāo)，在后續(xù)的研究工作中，將不斷進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，提高性能指標(biāo)，同時(shí)加快大地電磁中磁場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路和關(guān)鍵傳感器的研制，最終研制出整套的長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深儀。

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收稿日期：2015-05-20改回日期：2015-06-17

基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2014AA06A612)；四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃(KJ-2014-4)

作者簡(jiǎn)介：高嵩(1972-)男，博士，研究方向?yàn)榈厍蛭锢韮x器、無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用，E-mail:1491736@qq.com。 *通信作者：鄒海春(1991-)，男，碩士，研究方向?yàn)閮x器儀表及信號(hào)與信息處理，E-mail:zouhc409@qq.com。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)03-0321-06

中圖分類號(hào)：P 631.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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