何　剛，王　君，張碧勇，李　萌，馬　超

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春　130061)

0　引言

高密度電法勘探儀器是常用的一種電法勘探儀器，該儀器在測(cè)量過(guò)程中不需要人工挪動(dòng)電極位置，一次布極即可完成整個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)量[1]。其被廣泛應(yīng)用于深部構(gòu)造、礦產(chǎn)資源、水文及工程地質(zhì)、考古、環(huán)保、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域。現(xiàn)有的電法儀器只測(cè)量了AB電極的電流和MN電極的電壓，對(duì)于AB電極的電壓是通過(guò)計(jì)算AB電極的電流來(lái)得到。雖然AB電極的電壓在理論上可以得到波形，但是實(shí)際發(fā)射過(guò)程要受到外界環(huán)境的影響，實(shí)際發(fā)射的波形會(huì)有區(qū)別，如果在數(shù)據(jù)后處理時(shí)沒(méi)有考慮，會(huì)影響最后的測(cè)量分析精度；另外，如果通過(guò)AB電極的電流計(jì)算得到AB電極的電壓，則會(huì)引入大地的噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)處理分析精度有影響。為此，在高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加一路AB電極電壓的測(cè)量通道，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)采集3個(gè)通道信號(hào)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)高密度電法儀在地球物理勘探中的應(yīng)用具有重要的意義。

1　系統(tǒng)工作原理

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由工控機(jī)PC104、USB2．0接口、FPGA主控制器、三通道模擬信號(hào)采樣及調(diào)理電路、三路24位A/D等組成。圖1為高密度電法儀系統(tǒng)框圖。

工控機(jī)PC104的上位機(jī)軟件，用于控制和設(shè)置接收裝置參數(shù)，并且實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)成圖解釋?zhuān)籙SB2．0數(shù)據(jù)收發(fā)器，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連，用來(lái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)量的傳遞；主控制器FPGA通過(guò)USB2．0收發(fā)器與工控機(jī)相連進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的傳遞，同時(shí)接收工控機(jī)各種控制功能的操作信號(hào)；三通道24位A/D轉(zhuǎn)換電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)地電模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)化功能。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2．1三通道模擬信號(hào)采樣及調(diào)理電路

發(fā)射系統(tǒng)通過(guò)電極AB向地下供電，在AB供電回路中串接1個(gè)0.1 Ω的采樣電阻，測(cè)得采樣電阻兩端的電壓，進(jìn)而得到電流IAB．通過(guò)在AB電極間電阻分壓電路采集AB電極的電壓。將三路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路、50 Hz陷波電路、程控放大電路、單端轉(zhuǎn)差分電路送往三路24位AD轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)地電模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)化功能。

2．1．1前置放大電路設(shè)計(jì)

由于采集的模擬信號(hào)很微弱，所以需要將采集到的三路模擬信號(hào)進(jìn)行放大，前置放大電路采用運(yùn)放LT1167設(shè)計(jì)。

2．1．250 Hz陷波電路設(shè)計(jì)

高密度電法儀在野外工作時(shí)，容易受到外界信號(hào)干擾，特別是在此頻率范圍內(nèi)所受到的市電干擾。所以需要設(shè)計(jì)50 Hz陷波器濾除其干擾[2]。圖2為50 Hz陷波電路。圖中有源雙T陷波器是由高精度RC組成的雙T網(wǎng)絡(luò)，它的縱臂不接地，而是接到運(yùn)算放大器U2B的輸出端。放大器U2B將U2A的部分輸出信號(hào)反饋到雙T網(wǎng)絡(luò)的縱臂，由于是正反饋，所以將使陷波器的阻帶變窄，Q值提高。其中，U2A和U2B接成電壓跟隨器的組態(tài)。電路的預(yù)期作用：實(shí)現(xiàn)陷波頻率可調(diào)的雙T網(wǎng)絡(luò)有源濾波器，濾除50 Hz工頻信號(hào)的干擾，提高模擬信號(hào)的信噪比，保證采集的信號(hào)的準(zhǔn)確性。

圖1　高密度電法儀系統(tǒng)框圖

圖2　50 Hz陷波電路

2．1．3程控放大電路設(shè)計(jì)

高密度電法儀野外工作時(shí)，根據(jù)測(cè)量的實(shí)際情況，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大，濾波之后的信號(hào)有可能達(dá)不到A/D的采集范圍，因此就有必要在進(jìn)入A/D之前加上信號(hào)放大電路，目的是根據(jù)采集信號(hào)的大小來(lái)選擇放大倍數(shù)。圖3為程控放大電路，由可編程增益放大器PGA204和PGA205兩級(jí)放大器構(gòu)成[3]。由邏輯變量A1、A2、A3、A4來(lái)控制增益，其增益可以設(shè)置為1～8 000。

圖3　程控放大電路

2．1．4單端轉(zhuǎn)差分電路

為了滿(mǎn)足信號(hào)在較大范圍內(nèi)的測(cè)量以及增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性，需要將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，使A/D采樣精度更高。單端轉(zhuǎn)差分電路采用OPA1632進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2．2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

將3個(gè)通道的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路送往三路24位A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD7760進(jìn)行設(shè)計(jì)。AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，融合了寬輸入帶寬、高速特性與Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，2．5 MSPS時(shí)信噪比可達(dá)100 dB，因此非常適合高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。并且內(nèi)部集成有低通數(shù)字FIR濾波器，可以根據(jù)需要編程選擇抽取率。該芯片外圍的配置對(duì)精度影響很大[4]。AD7760需要外部提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，這樣才能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2．3FPGA控制模塊設(shè)計(jì)

FPGA主控制器采用EP2C8Q208C8芯片，EP2C8Q208C8型FPGA基于SRAM查找表，在器件上電時(shí)配置數(shù)據(jù)必須重新加載，因此必須使用掉電保持器件來(lái)保存配置數(shù)據(jù)，然后在FPGA上電時(shí)將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中去。配置芯片EPCS4就可實(shí)現(xiàn)這種功能。FPGA主控制器通過(guò)控制三路AD7760轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)實(shí)現(xiàn)地電模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)化功能。

2．4USB2．0數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

USB采用CY7C68013A，它集成了USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。FPGA主控制器完成對(duì)USB芯片的控制，實(shí)現(xiàn)了FPGA與PC機(jī)的高速通信。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試。將28個(gè)阻值為230 Ω左右的電阻串連在一起，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處接上分布式電極轉(zhuǎn)換裝置，采用溫納跑極方法進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送3階偽隨機(jī)編碼信號(hào)[5]，圖4為3階偽隨機(jī)編碼信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集3個(gè)通道的模擬信號(hào)。圖5為3個(gè)通道波形。

圖4　3階偽隨機(jī)編碼信號(hào)

圖5　3個(gè)通道波形

將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，所得到的電阻值與實(shí)際阻值一致。圖6為發(fā)射三階偽隨機(jī)信號(hào)3個(gè)主頻的電阻曲線圖。從而驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好。

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)的高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠同時(shí)采集3個(gè)通道的電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所測(cè)電阻曲線與實(shí)際電阻曲線一致。驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)高密度電法儀在地球物理勘探中的應(yīng)用具有重要的意義。

圖6　測(cè)量電阻曲線圖

參考文獻(xiàn)：

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[2]姜宗義，龔衛(wèi)寧，儲(chǔ)德寶．一種新型有源陷波設(shè)計(jì)．中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1997，16(4)：323-326．

[3]郭建平，王亮，郭正剛，等．單通道信號(hào)處理的前端信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2008(9)：99-101．

[4]鄭曉亮，劉盛東．基于雙處理器的并行采集網(wǎng)絡(luò)電法儀器的設(shè)計(jì)．煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(4)：85-88．

[5]何繼善．廣域電磁法和偽隨機(jī)信號(hào)電法．北京：高等教育出版社，2010．