一種低噪聲大地電磁數據采集電路設計＊

劉謀榮 劉小林 李文彬 孔亞麗

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

大地電磁場是一種信號十分微弱的天然場，其頻率范圍在104Hz～10－4Hz之間，幅值最低可到μV 級［1］。對于這種微弱信號的采集與檢測，在電路設計方面著重要考慮的是系統的噪聲性能［2］。現代電子技術條件下，A／D 器件的噪聲水平要大于低噪聲模擬運放的噪聲水平。在小于10kHz信號條件下，低噪聲模擬運放的噪聲水平可以控制在10nV／Hz1／2以下［3］。為降低通道噪聲的影響，在設計中加入可變增益放大器將信號放大，以利用模擬器件的優異低噪聲特性，降低電路中各通道的系統噪聲［4］。本文所設計的數據采集電路各通道噪聲指標如下：3×10－6V／Hz1／2＠0.01Hz，3×10－7V／Hz1／2＠1Hz，3×10－8V／Hz1／2＠1kHz。

2 數據采集電路基本結構

數據采集電路的基本結構如圖1所示，由電極或磁傳感器采集的大地電磁信號，需要經過數據采集電路的濾波、放大及A／D 轉換等處理，才能進行下一步的分析和處理。數據采集電路主要包括輸入保護和信號衰減電路、低通濾波和緩沖放大電路、程控放大電路、電平轉換電路、A／D 采樣電路和光電隔離電路幾個部分。

圖1 數據采集電路框圖

3 數據采集電路設計

3.1 輸入保護和信號衰減電路

由于大地電磁探測設備是設計用于野外測試環境，在雷雨天氣使用時，天線感應的雷電信號很大，需要在信號輸入端設計防雷和防過載保護電路以保護設備。輸入保護電路采用ESD 保護電路設計，以防止接線時的高壓靜電和過大的近場雷電信號損壞儀器。

由于磁傳感器的輸出電壓范圍在－10V～10V，而A／D的輸入范圍是0～5V，在工頻信號較強的地區工作時，磁傳感器的輸出電壓可能達到最大值，超出AD的輸入信號電壓范圍。為了不超出A／D的輸入電壓要求，磁通道加入了一級1／4信號衰減選擇電路，保證大地電磁探測設備在工頻等人文干擾信號較強區域的使用。輸入保護和信號衰減電路如圖2所示。

圖2 輸入保護和信號衰減電路

3.2 低通濾波和緩沖放大電路

在大地電磁場測量中，總是存在著一些高頻干擾，例如，廣播頻率和大氣層中的高頻噪聲，這些高頻干擾，通過非線性和相互調制作用，就會產生一些低噪干擾［7］。因此在通道輸入前端應設計一個低通濾波電路，以濾除電場中存在的高頻干擾。電路由兩級低通濾波電路和緩沖放大電路組成，如圖3所示。

圖3 低通濾波和緩沖放大電路

經保護電路輸出的信號需通過一級低通濾波電路濾除帶外干擾，由于輸入信號的阻抗不確定，該電路采用一階無源LC低通濾波設計，3dB點設在16kHz，初步濾除無線電臺的電磁干擾信號。

程控放大器的輸入阻抗，難以滿足數據采集電路的輸入阻抗要求，在一級低通濾波電路后面設計了一個緩沖放大器，該緩沖放大器采用高輸入阻抗的低噪聲放大器，采用平衡輸入輸出放大設計，以降低共模干擾。緩沖放大不僅補償輸入信號經過低通放大器的衰減，同時滿足了數據采集電路的輸入阻抗要求［9］。

二級低通濾波器前面有一級緩沖放大器，設計濾波器時可以按最佳的輸入、輸出阻抗特性進行設計，二級低通濾波器設計為二階無源∏型低通濾波器，3dB點設在16kHz。進一步對無線電臺的電磁干擾信號進行濾除［8］。

3.3 程控放大電路

大地電磁信號的動態范圍很大，通常從幾十微伏到幾伏，因此，放大電路不能采用固定放大倍數的放大電路，為了提高所采集的大地電磁信號的精度，必須結合程控放大方式來自動調節增益［6］。程控放大電路采用8nV／Hz1／2的低噪聲平衡輸入輸出程控放大器，可變增益范圍為1、2、4、8、16、32、64 倍，用戶可 根據環境噪聲情況選 擇 合 適的增益，以獲得更佳的信噪比。程控放大電路采用的運放結構圖如圖4所示，通過控制GAIN0、GAIN1、GAIN2管腳實現不同增益的選擇。

圖4 程控放大運放結構圖

3.4 電平轉換電路

由于A／D 電路的輸入電平范圍為0～5V，而前級平衡程控放大器輸出的信號范圍為－2.5V～2.5V，為適應A／D的輸入電平范圍，加入了一級電平轉換電路將－2.5V～2.5V 信號調理到0～5V。電平轉換電路如圖5所示。

圖5 電平轉換電路

3.5 A／D 采樣電路

針對大地電磁探測設備電磁信號采集方式和要求，頻率比較高的情況下，需要采用高速率采樣以滿足過采樣的要求和獲得足夠長度的采樣點，以保證后續的數字信號處理的精度；而頻率較低時，可以采用較低的采樣率，但同時也須有更高的有效分辨率和精度。A／D 采樣電路主要由A／D 轉換器和其附屬的抗混疊濾波電路組成，實現兩路電通道和三路磁通道信號的模數轉換。A／D 芯片選擇時除了考慮處理帶寬和噪聲性能外，還選擇具有線性相位濾波和帶內波動小的芯片，以保證通道的相位特性，同時增強通道校準補償的準確性［10］。

3.6 光電隔離電路

為減少CPU 處理模塊、數字處理模塊等數字電路工作時對數據采集電路的干擾，數據采集電路與CPU 處理模塊和數字處理模塊等數字電路相連的I／O 管腳都進行了光電隔離處理，以減少數字噪聲干擾［5］。

4 噪聲測試與分析

將數據采集電路各電通道和磁通道輸入端短接，可測得各通道在不同頻率下的背景噪聲，如圖6 和圖7 所示。由圖可知系統噪聲性能測試結果滿足設計指標要求，也滿足大地電磁信號的采集要求。

圖6 1kHz通道背景噪聲

圖7 1Hz和0.01Hz通道背景噪聲

5 結語

本文設計了一種低噪聲的大地電磁數據采集電路，對各功能單元電路進行了分析和論證，噪聲測試的結果表明該電路具有良好的低噪聲特性，滿足系統指標設計要求和大地電磁信號的探測和采集要求。

［1］劉國林，鄧前輝，等.電磁方法研究與勘探［M］.北京：地震出版社，1993：28－30.

［2］屈栓柱.超長周期地電信號采集電路的設計與實現［D］.中國地質大學碩士學位論文，2008：5－12.

［3］陳佳圭.微弱信號檢測［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1987：46－49.

［4］陳其津.低噪聲電路［M］.重慶：重慶大學出版社，1988：59－71.

［5］Herry W.Ott.電子系統中噪聲的抑制和衰減技術［M］.第二版.王培清，李迪譯.電子工業出版社，2003：82－94.

［6］張文秀.大深度分布式電磁探測接收系統原理樣機研究［D］.長春：吉林大學碩士學位論文，2009：30－34.

［7］張秀成.大地電磁測深測量及儀器［M］.北京：地質出版社，1989：9－13.

［8］遠坂俊昭.測量電子電路——模擬篇［M］.彭軍譯.北京：科學出版社，2006：61－69.

［9］岡村迪夫.OP放大電路設計［M］.王玲，徐雅珍等譯.北京：科學出版社，2004：214－219.

［10］萬娟.地震數據采集系統中的數字濾波器設計［D］.合肥：中國科學技術大學學位論文，2003：6－10.