ATEM接收機前置放大器設計與實現

劉俊杰，李文杰，李軍峰，吳 珊，劉 磊

（中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所 河北 廊坊065000）

ATEM接收機前置放大器設計與實現

劉俊杰，李文杰，李軍峰，吳 珊，劉 磊

（中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所 河北 廊坊065000）

為了滿足時間域航空電磁法（以下簡稱ATEM）測量系統對前置放大器的設計要求，制作實現了一款適用于ATEM系統的前置放大器。本文主要講解了對空芯多圈線圈的阻抗匹配的原則 ；采用差分式放大電路對微弱二次場信號進行放大的原理；采用DRV134和INA137的平衡電路進行信號長線傳輸的技術；采用巴特沃斯型二階低通濾波器設計電路的應用。實踐證明，該前置放大器實現并滿足了設計要求，有效的抑制了相關干擾噪聲，提高了信號的識別能力，保證了較高的動態范圍，在實際工作中取得了良好的效果。

ATEM；前置放大器；阻抗匹配；差分放大；長線傳輸

時間域航空電磁法（ATEM）主要應用于金屬礦產探測、工程勘查等方面，是一種有效的資源勘查方法[1]。時間域航空電磁法儀器設備具有勘探深度大、分辨能力強、測量精度高、成圖時間短等技術特點[2-3]，是我國急需的礦產資源勘查技術裝備之一。ATEM系統主要包括飛行器、發射機、接收機、傳感器、預處理及解釋軟件等部分[4]。其中傳感器大多為漆包線繞制的多圈線圈組成，而接收機大多采用工控機和模數采集板的方案。此外由于ATEM系統的特殊應用性，接收機往往安裝在飛行器平臺上，而接收線圈大多采用吊攬拖拽的方式，信號的傳輸通過吊攬內部的多芯導線完成。因此這就需要研制即能匹配接收線圈的阻抗特性，又能對微弱小信號放大及長線傳輸不失真的前置放大器。

1 裝置形式及需求分析

iFTEM系統是中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所基于國產Y12IV型飛機平臺研制的固定翼時間域航空電磁測量系統[5]。其主要裝置形式類似GeoTEM系統[6]，如圖1所示。

該ATEM系統具有如下的特征，飛行器采用固定翼飛機平臺；發射機和接收機布置在Y12IV機艙內部；發射線圈圍繞飛機外圍邊框組成；接收線圈布置在接收吊艙中；其與飛機的水平距離約為130 m，垂直距離約為50 m，地面距離約為70 m。因此該系統的前置放大器應具有以下功能：1）能對接收線圈進行阻抗匹配，不發生過阻尼及欠阻尼狀態響應；2）能對微弱二次場信號進行放大，保證有效的動態范圍和低噪聲水平；3）能夠進行長線（約為150 m）傳輸，不發生信號的失真及外圍耦合干擾；4）能夠輸出足夠有效范圍的信號，保證在接收機有效的ADC量程及帶寬范圍之內。以上要求也是大多數固定翼時間域航空電磁測量系統研制過程中的所必需考慮的。

圖1 ATEM系統裝置形式圖

2 多芯線圈阻抗匹配

多芯線圈作為接收系統中傳感器的主體部分，是系統的信號來源，既要有較高的靈敏度和品質因數，以實現對微弱信號的測量；又不能產生自激或時間常數過大造成信號的失真[7]。時間域航空電磁測量線圈由于受到接收吊艙體積的限制，單圈接收面積往往不能過大，為了保證在有限范圍內的達到更大等效接收面積，造成對接收線圈繞制的圈數很大；另外由于重量的限制和圈數的增加，并不能采用普通低電阻率的漆包線，此外為了保證抗拉伸性能，一般使用直徑在0.1 mm尼龍絲包金屬線。因此采用該方法繞制的接收線圈的內阻r和電感L很大，不能忽略，需要進行人為的阻抗匹配，保證信號的有效接收。為了實現該目標，針對特殊場合的空芯多圈線圈，通過對比采用的阻尼電阻計算經驗公式和現場實際應用試驗得到如下所示的結果。在使用180 kΩ的電阻時，接收線圈表現為達到了臨界狀態，輸入及輸出在有效的帶寬范圍之內成線性變化；在遠大于180 kΩ時，接收線圈表現為達到了欠阻尼狀態，發生了自激振蕩；在遠小于180 kΩ時，接收線圈表現為過阻尼狀態，發生了信號失真。

3 差分式放大電路

一般的ATEM系統發射機利用圍繞飛行器外圍邊框繞制形成的回線線圈向地下發送規則的電流波形（一次場），發射的一次場波形一般為周期性脈沖序列，常見的有梯形波、三角波、半正弦波等[8]。接收機通過接收線圈測量由地下介質產生的隨時間的感生電磁場強（二次場）的變化，從而探測地下不均勻體的位置，并估計其規模和導電性能。接收線圈接收到的二次場信號具有頻帶寬和動態范圍大的特性，分為早期和晚期數據[9]。二次場信號的具有一般的特性，早期信號幅度大（nV～pV數量級）、衰減快（在幾百μS內），主要反映了地表淺層信息；而晚期信號幅度小（pV～fV數量級）、衰減慢（在幾百μs～ps），主要反映了地下深部信息[10]。因此，前置放大器需具有對二次場信號進行放大，同時也要具有抑制零點漂移及干擾噪聲的能力，以進一步提高系統的靈敏度。由于前置放大器產生的噪聲會被后續的各級放大器進一步放大，所以前置放大器的噪聲系數對整個系統的噪聲特性具有決定性作用。與普通集成運放相比，應選用噪聲水平及性能指標更好的集成運放[11]。文中采用了BB公司生產的超低噪聲水平的高速集成運放OPA637構成的差分式放大電路，如圖2所示。

圖2 差分式放大電路原理圖

該電路輸入級由于采用差分式結構，當電路引入的共模噪聲、電源噪聲和電磁干擾噪聲都會在同一時間以相同的幅度增加到同向輸入端和反向輸入端，這些干擾噪聲信號的互為同向[12]。此放大電路對二次場進行放大時，因其具有只能對差模信號放大的特性，所有噪聲信號共模成分都會在差分信號中進行平衡抵消，保留二次場的原始信號，從而抑制了干擾噪聲，并且對原始信號進行了有效放大。

4 長線傳輸電路

由于ATEM系統中接收機布置在飛行器機艙內部，而接收線圈布置在吊艙中，正常作業時，接收吊攬收放約有150米的距離，因此接收機收到的由傳感器產生的信號也要經這么長的電纜傳輸給模數采集板。因此就要考慮信號在長線傳輸上會遇到兩個問題：一是有信號傳輸帶來的衰減和延時，二是長線傳輸容易受到外界的電磁干擾。測量數據的質量直接關系到解釋結果的準確程度，因此研究排除各種影響數據質量的方法其意義是很顯然的[13]。這就要求信號的發送端和接收端采用差分雙端平衡傳輸方式，且具有足夠大的幅度能夠驅動較長的電纜。該多芯電纜應采用成對雙絞繞制的屏蔽線，來減小信號畸變和外界干擾。

針對實際情況，采用了BB公司生產的音頻平衡線路驅動器 DRV134和音頻差分線路接收器INA137構成的長線傳輸電路，如圖3所示。該對平衡式音頻長線傳輸器由高性能運算放大器和精密電阻構成，它們具有卓越的交流信號傳輸能力，能夠最佳的對傳輸線路中的共模進行抑制，此外由于具有很寬的壓擺率和高輸出電流能力，能夠輕松的驅動具有大容性負載特性的傳輸電纜。根據ATEM系統信號的特性，不能丟失或影響二次場信號的頻率特征，因此長線傳輸后的對信號的失真度要求很高。由DRV134給出的理論失真度為0.000 5%（1 kHz測量），經過實際測量在使用150 m雙絞屏幕電纜時的失真度為0.045%（動態信號分析儀測量），完全滿足了ATEM系統的要求，長線傳輸后未對原始信號產生很大干擾和導致信號的畸變。

圖3 長線傳輸電路結構圖

5 二階低通濾波器

在ATEM系統中接收機的模數采集板端最后接入的信號，難免會耦合有高頻成分，它們有可能來自接收線圈、長線電纜、外界干擾噪聲。接收線圈由于本身就為電磁信號接收器件，雖然其頻率特性是按照接收二次場的帶寬設計，但是在其對帶寬范圍之外的高頻信號仍有耦合能力；長線電纜在進行信號傳輸時，其屏蔽層接地電阻并不完全為零，可以看作是具有接收效應的天線，耦合產生的高頻信號的成分有可能干擾到有效信號；飛行器平臺上裝有大量的電磁設備，例如低頻電臺、導航信標臺等，它們不可避免的會對布置在飛行器平臺上的接收設備帶來影響。因此，就要求在接收信號的末端對不需要的高頻信號進行去除，考慮到二次場信號的頻率特征及模數采集卡的采樣頻率，最終得出需要在前置放大器終端設計低通濾波器。該低通濾波器的截止頻率應該在系統的帶寬之外，減少對二次場信號的影響，并且其帶通區域應為平緩的直線，帶內波動不宜過大，因此選用了在其通頻帶內具有很高平坦度的巴特沃斯型濾波器[14]。

以上濾波器電路基于FilterPro軟件和Proteus軟件設計并仿真[15]，該巴特沃斯型低通濾波器采用Sallen Key的二階電路形式，通頻帶內增益為0 dB，允許的帶內波動為1 dB，轉折衰減為-3 dB時其帶通寬度為28 kHz。該電路對器件的品質因數要求達到0.71，集成運放的增益帶寬積達到1.9 MHz。總之，使用該濾波器后其通頻帶內平坦響應 （增益近似為1），相位延遲較低并且近似線性，滿足了設計要求。

6 結 論

文中圍繞ATEM系統中接收機前置放大器的設計要求展開工作，重點分析了iFTEM時間域航空電磁測量系統中前置放大器的實現方法，對它們采用的空芯多圈線圈的阻抗匹配技術、模擬前端差分式放大電路、用于吊艙線纜的長線傳輸電路、信號輸出級二階低通濾波器進行了詳細的描述并給出了參數，以及它們對有用信號的影響也進行了具體的分析。總之，依據本文的設計與實現方案，能夠制作一款適用于ATEM系統中接收機的性能優良的前置放大器。

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The design and implementation of ATEM receiver's preamplifier

LIU Jun-jie，LI Wen-jie，LI Jun-feng，WU Shan，LIU Lei
（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration CAGS，Langfang 065000，China）

In order to meet the design requirements of the airborne time-domain electromagnetic method（ATEM）measurement system，a preamplifier has been designed to suit ATEM system.This paper mainly explains the principle of the impedance matching of the multi-turn air-core coil；the principle of using the differential amplifier circuit to amplify the weak secondary field signal；the technology of using balance circuit of DRV134 and INA137 for signals’long-line transmission；the application of using the Butterworth second-order low pass filter to design circuits.Practice has proved that the preamplifier had been implemented and met the design requirements.It could effectively restrain the correlation noise，and improve the recognition ability of signals，and guarantee a high dynamic range.This preamplifier has achieved good results in practical work.

ATEM；preamplifier；impedance matching；differential amplify；long-line transmission

TN709

：A

：1674－6236（2017）03-0068-04

2016-05-24稿件編號：201605226

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2013AA063903）

劉俊杰（1989—），男，河北廊坊人，助理工程師。研究方向：儀器儀表設計、航空物探儀器。