摘要： 為了滿足瞬變電磁探測(cè)中晚期電磁信號(hào)采集的要求，選擇高性能24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7762，以FPGA為控制核心實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高精度采集，結(jié)合USB2.0接口芯片CY7C68013-A，將采集的數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)顯示和分析功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于FPGA的電磁信號(hào)采集系統(tǒng)具有良好的性能指標(biāo)和擴(kuò)展性，測(cè)量準(zhǔn)確，能夠滿足電磁探測(cè)數(shù)據(jù)采集的要求。

瞬變電磁探測(cè)是應(yīng)用較為廣泛有效的地下礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)調(diào)查方法之一。它通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射激勵(lì)場(chǎng)源，當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)在地下導(dǎo)電性的介質(zhì)或地質(zhì)體中感生渦流形成瞬變二次磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)間隙時(shí)間內(nèi)測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減響應(yīng)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)反演解釋，直接給出探測(cè)區(qū)域的地下視電阻斷面圖。

瞬變電磁信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的二次場(chǎng)電磁信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)微弱、頻帶寬，特別是中晚期響應(yīng)幅值小、衰減慢，幅值從毫伏級(jí)（或微伏級(jí)）衰減到微伏級(jí)（或納伏級(jí)），觀測(cè)時(shí)間需要幾百微秒到幾毫秒甚至幾秒，晚期信號(hào)反映深層地下結(jié)構(gòu)，測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響后期處理解釋，需要精確地采集瞬變響應(yīng)信號(hào)［1］。晚期瞬變電磁信號(hào)變化緩慢，傳統(tǒng)16位分辨率的采集系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求，為了提高分辨率，增強(qiáng)信噪比，本設(shè)計(jì)采用24位采集技術(shù)與雙級(jí)程控放大濾波去噪，實(shí)現(xiàn)瞬變電磁信號(hào)的高分辨率采集，結(jié)合FPGA在數(shù)據(jù)獲取方面優(yōu)越的實(shí)時(shí)與并行控制性能，簡(jiǎn)化了硬件電路結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)的功能升級(jí)，可以快速實(shí)現(xiàn)多路電磁信號(hào)的高精度采集。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

瞬變信號(hào)采集系統(tǒng)由接收線圈、低噪聲模擬信號(hào)調(diào)理電路、24位ADC單元、FPGA、USB2.0接口單元等組成。低噪聲模擬信號(hào)調(diào)理電路采用雙級(jí)程控放大濾波去噪技術(shù)，對(duì)接收線圈接收到的電磁信號(hào)放大、濾波；FPGA作為整個(gè)采集系統(tǒng)的控制邏輯核心，完成采集過(guò)程的邏輯控制，獲取采樣數(shù)據(jù);USB2.0接口芯片CY7C68013-A將數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成采樣參數(shù)的設(shè)置控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能，瞬變電磁信號(hào)采集系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 模擬信號(hào)調(diào)理單元

瞬變電磁信號(hào)中含有天然低頻電磁噪聲、工頻噪聲、風(fēng)動(dòng)噪聲成分，如果不進(jìn)行處理，噪聲將與有用信號(hào)一起輸出，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)采用雙級(jí)程控放大與低通濾波去噪相結(jié)合的方式，去除信號(hào)中的噪聲，并使被測(cè)電壓范圍和A/D采樣范圍相匹配。

模擬信號(hào)調(diào)理單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。前置放大器采用低噪聲高輸入阻抗的AD8421，前放與雙級(jí)程控放大器之間加入抑制工頻及其諧波干擾的陷波器。為了提高信噪比，雙級(jí)程控放大器采用ADI公司的AD8231，AD8231可以通過(guò)引腳編程選擇增益，最大為128，當(dāng)增益G=1時(shí)，共模抑制比（CMRR）為80 dB，共模抑制比隨增益提高而增加，最高可達(dá)110 dB，輸入偏置電壓漂移最大為50 nV/℃，可以有效改善電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫漂性能［2］。瞬變電磁信號(hào)放大后，再通過(guò)低通濾波器去除頻帶以外的干擾，系統(tǒng)分辨率可達(dá)到0.05 μV。

2.2 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元

系統(tǒng)采用兩片單通道24位并行輸出Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7762，其具有寬頻帶差分信號(hào)輸入，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)625 kS/s。能根據(jù)需求靈活地通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)改變過(guò)采樣因子， 當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率一定時(shí)，過(guò)采樣因子越大，輸出速率越低，但信噪比越高，這一特性正好符合電磁采集的要求，即頻率越低，要求信噪比越高［3］，其具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和輸入帶寬，適合于低功耗數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

AD7762是對(duì)噪聲敏感的模擬器件，所以在電路及PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要做到以下幾個(gè)方面：A/D模擬電源單獨(dú)供電（模擬電源與數(shù)字電源分開(kāi)供電，電源輸入引腳增加三端濾波器，減少電源噪聲對(duì)A/D干擾）；模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地；差分輸入線等長(zhǎng)；采用精確的參考電壓源［4］。

AD7762內(nèi)部自帶一個(gè)2.0 V的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)有效精度接近或超過(guò)20位時(shí)，內(nèi)部基準(zhǔn)無(wú)法提供穩(wěn)定的電壓，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，采用外部低噪聲基準(zhǔn)電壓，選用ADI公司的高精度電壓參考源芯片ADR434，它具有低噪聲、高精度和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，輸出電壓為4.096 V，電壓可以穩(wěn)定到1.5 mV。

2.3 USB2.0接口單元

USB2.0接口單元主要由微控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊組成，如圖3所示。微控制器采用Cypress公司的CY7C68013-A，由它完成數(shù)據(jù)采集控制及數(shù)據(jù)采集后與PC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用CH376控制器，將采集到的電磁數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件形式保存到USB存儲(chǔ)設(shè)備中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集流程

系統(tǒng)首先通過(guò)設(shè)置AD7762工作模式及其采樣率啟動(dòng)采集，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置放大倍數(shù)、設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、設(shè)置疊加次數(shù)。由于每次啟動(dòng)AD7762會(huì)有一定延遲，為了保證與發(fā)射機(jī)同步的精度，AD7762啟動(dòng)后一直工作，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到同步信號(hào)后，將24位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)暫存在FPGA內(nèi)部的RAM中。

每次采集點(diǎn)數(shù)達(dá)到所需時(shí)，系統(tǒng)從RAM中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，通過(guò)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有效，以FPGA硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的疊加平均，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)可通過(guò)液晶顯示電磁信號(hào)電壓衰減曲線，也可通過(guò)USB傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示。信號(hào)采集控制的流程圖如圖4所示。

3.2 AD7762采樣控制程序

AD7762采樣控制模塊采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫，固化在FPGA內(nèi)，完成A/D初始化控制及A/D數(shù)據(jù)讀控制，其中A/D初始化控制完成對(duì)A/D內(nèi)部控制寄存器的寫操作，而A/D數(shù)據(jù)讀控制完成對(duì)A/D數(shù)據(jù)的讀取，F(xiàn)PGA提供AD7762工作所需的時(shí)鐘信號(hào)。具體控制邏輯根據(jù)AD7762的時(shí)序圖設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA控制A/D的模塊圖如圖5所示。

模塊中FPGA通過(guò) PARD［15..0］向AD7762寄存器寫入配置數(shù)據(jù)及讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，AD_DATA［23..0］輸出24位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)［5］， nRESET是A/D的復(fù)位信號(hào)，reset_n是系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，mclk接FPGA內(nèi)部PLL輸出20 MHz時(shí)鐘信號(hào)，n_SYNC是同步信號(hào)。

3.3 USB固件程序

固件程序主要實(shí)現(xiàn)芯片的初始化、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和控制芯片CY7C68013接收應(yīng)用程序的控制指令等功能。在使用FX2芯片進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)，利用其固件框架可以簡(jiǎn)化、加速開(kāi)發(fā)，它提供任務(wù)調(diào)度、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求解析和USB中斷處理三類子函數(shù)［6］。通過(guò)編寫固件初始化函數(shù)TD_Init（）即可完成芯片端點(diǎn)和外設(shè)的配置等［7］，系統(tǒng)中設(shè)置端點(diǎn)6為輸入端點(diǎn)，16位數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 短路噪聲測(cè)試

將采集系統(tǒng)的模擬信號(hào)輸入端短路，模擬通道增益設(shè)置為1，記錄系統(tǒng)在短路情況下噪聲的時(shí)間序列并進(jìn)行頻譜分析。如圖6所示為短路噪聲測(cè)試結(jié)果，從時(shí)域波形看峰值約為 0.1 mV，頻譜分析結(jié)果顯示整個(gè)頻帶短路噪聲幅度低于110 dB。

4.2 有效采樣位數(shù)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7762的有效采樣位數(shù)，采用SG1060A數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器給出基準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)用LNI公司的LNI-T UT805A型5位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)信號(hào)為0 V基準(zhǔn)電壓，每隔60 s取一次采樣數(shù)據(jù)，萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)電壓與輸出的24位采樣數(shù)據(jù)的關(guān)系如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)有效采樣位數(shù)可達(dá)到18位。

針對(duì)瞬變電磁信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于FPGA的電磁信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采集系統(tǒng)取得了良好的性能。采用FPGA控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為靈活方便，減少外部控制線的數(shù)量，使系統(tǒng)減小干擾，更為可靠；采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，具有良好的可擴(kuò)展性，功耗低，兩個(gè)通道可同時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)瞬變電磁信號(hào)的多通道采集，數(shù)據(jù)可以上傳存儲(chǔ)在PC中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的分析和處理。

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