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高密度电法仪数据采集系统的设计

2014-03-22张碧勇

仪表技术与传感器 2014年8期
关键词:陷波模拟信号电法

何 刚,王 君,张碧勇,李 萌,马 超

(吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130061)

0 引言

高密度电法勘探仪器是常用的一种电法勘探仪器,该仪器在测量过程中不需要人工挪动电极位置,一次布极即可完成整个测区的测量[1]。其被广泛应用于深部构造、矿产资源、水文及工程地质、考古、环保、地质灾害等领域。现有的电法仪器只测量了AB电极的电流和MN电极的电压,对于AB电极的电压是通过计算AB电极的电流来得到。虽然AB电极的电压在理论上可以得到波形,但是实际发射过程要受到外界环境的影响,实际发射的波形会有区别,如果在数据后处理时没有考虑,会影响最后的测量分析精度;另外,如果通过AB电极的电流计算得到AB电极的电压,则会引入大地的噪声,对数据处理分析精度有影响。为此,在高密度电法数据采集系统中增加一路AB电极电压的测量通道,实现了同时采集3个通道信号。实验验证了该系统的可靠性和稳定性,对高密度电法仪在地球物理勘探中的应用具有重要的意义。

1 系统工作原理

高密度电法数据采集系统主要由工控机PC104、USB2.0接口、FPGA主控制器、三通道模拟信号采样及调理电路、三路24位A/D等组成。图1为高密度电法仪系统框图。

工控机PC104的上位机软件,用于控制和设置接收装置参数,并且实时显示数据、保存数据以及数据成图解释;USB2.0数据收发器,通过USB数据线与工控机相连,用来实现大数量的传递;主控制器FPGA通过USB2.0收发器与工控机相连进行大容量数据的传递,同时接收工控机各种控制功能的操作信号;三通道24位A/D转换电路用来实现地电模拟信号的数字转化功能。

2 硬件电路设计

2.1三通道模拟信号采样及调理电路

发射系统通过电极AB向地下供电,在AB供电回路中串接1个0.1 Ω的采样电阻,测得采样电阻两端的电压,进而得到电流IAB.通过在AB电极间电阻分压电路采集AB电极的电压。将三路模拟信号经过前置放大电路、50 Hz陷波电路、程控放大电路、单端转差分电路送往三路24位AD转换电路,实现地电模拟信号的数字转化功能。

2.1.1前置放大电路设计

由于采集的模拟信号很微弱,所以需要将采集到的三路模拟信号进行放大,前置放大电路采用运放LT1167设计。

2.1.250 Hz陷波电路设计

高密度电法仪在野外工作时,容易受到外界信号干扰,特别是在此频率范围内所受到的市电干扰。所以需要设计50 Hz陷波器滤除其干扰[2]。图2为50 Hz陷波电路。图中有源双T陷波器是由高精度RC组成的双T网络,它的纵臂不接地,而是接到运算放大器U2B的输出端。放大器U2B将U2A的部分输出信号反馈到双T网络的纵臂,由于是正反馈,所以将使陷波器的阻带变窄,Q值提高。其中,U2A和U2B接成电压跟随器的组态。电路的预期作用:实现陷波频率可调的双T网络有源滤波器,滤除50 Hz工频信号的干扰,提高模拟信号的信噪比,保证采集的信号的准确性。

图1 高密度电法仪系统框图

图2 50 Hz陷波电路

2.1.3程控放大电路设计

高密度电法仪野外工作时,根据测量的实际情况,采集到的信号经过前置放大,滤波之后的信号有可能达不到A/D的采集范围,因此就有必要在进入A/D之前加上信号放大电路,目的是根据采集信号的大小来选择放大倍数。图3为程控放大电路,由可编程增益放大器PGA204和PGA205两级放大器构成[3]。由逻辑变量A1、A2、A3、A4来控制增益,其增益可以设置为1~8 000。

图3 程控放大电路

2.1.4单端转差分电路

为了满足信号在较大范围内的测量以及增强信号的抗干扰性,需要将输入的信号转换成差分信号,使A/D采样精度更高。单端转差分电路采用OPA1632进行设计。

2.2模数转换电路设计

将3个通道的模拟信号经过采样电路、信号调理电路送往三路24位A/D进行转换。模数转换器采用AD7760进行设计。AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模数转换器,融合了宽输入带宽、高速特性与Σ-Δ转换技术的优势,2.5 MSPS时信噪比可达100 dB,因此非常适合高速数据采集应用。并且内部集成有低通数字FIR滤波器,可以根据需要编程选择抽取率。该芯片外围的配置对精度影响很大[4]。AD7760需要外部提供一个稳定的电压基准,这样才能进行有效的数据转换。

2.3FPGA控制模块设计

FPGA主控制器采用EP2C8Q208C8芯片,EP2C8Q208C8型FPGA基于SRAM查找表,在器件上电时配置数据必须重新加载,因此必须使用掉电保持器件来保存配置数据,然后在FPGA上电时将配置数据加载到FPGA中去。配置芯片EPCS4就可实现这种功能。FPGA主控制器通过控制三路AD7760转换电路,用来实现地电模拟信号的数字转化功能。

2.4USB2.0数据收发模块设计

USB采用CY7C68013A,它集成了USB2.0收发器、串行接口引擎、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。FPGA主控制器完成对USB芯片的控制,实现了FPGA与PC机的高速通信。

3 实验结果及分析

为了验证所设计的高密度电法数据采集系统的性能,对数据采集系统进行了整体测试。将28个阻值为230 Ω左右的电阻串连在一起,在每个节点处接上分布式电极转换装置,采用温纳跑极方法进行自动测量。发射系统发送3阶伪随机编码信号[5],图4为3阶伪随机编码信号。

数据采集系统同时采集3个通道的模拟信号。图5为3个通道波形。

图4 3阶伪随机编码信号

图5 3个通道波形

将采集到的数据进行数据处理后,所得到的电阻值与实际阻值一致。图6为发射三阶伪随机信号3个主频的电阻曲线图。从而验证了数据采集系统精度高、稳定性好。

4 结论

设计的高密度电法数据采集系统,能够同时采集3个通道的电压波形。实验结果表明,设计的数据采集系统所测电阻曲线与实际电阻曲线一致。验证了该系统的可靠性和稳定性,对高密度电法仪在地球物理勘探中的应用具有重要的意义。

图6 测量电阻曲线图

参考文献:

[1]严加永,孟贵祥,吕庆田,等.高密度电法的进展与展望.物探与化探,2012,36(4):576-584.

[2]姜宗义,龚卫宁,储德宝.一种新型有源陷波设计.中国生物医学工程学报,1997,16(4):323-326.

[3]郭建平,王亮,郭正刚,等.单通道信号处理的前端信号调理模块的设计.仪表技术与传感器,2008(9):99-101.

[4]郑晓亮,刘盛东.基于双处理器的并行采集网络电法仪器的设计.煤炭科学技术,2008,36(4):85-88.

[5]何继善.广域电磁法和伪随机信号电法.北京:高等教育出版社,2010.

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