ATEM接收机前置放大器设计与实现

刘俊杰，李文杰，李军峰，吴 珊，刘 磊

（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 河北 廊坊065000）

ATEM接收机前置放大器设计与实现

刘俊杰，李文杰，李军峰，吴 珊，刘 磊

（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 河北 廊坊065000）

为了满足时间域航空电磁法（以下简称ATEM）测量系统对前置放大器的设计要求，制作实现了一款适用于ATEM系统的前置放大器。本文主要讲解了对空芯多圈线圈的阻抗匹配的原则 ；采用差分式放大电路对微弱二次场信号进行放大的原理；采用DRV134和INA137的平衡电路进行信号长线传输的技术；采用巴特沃斯型二阶低通滤波器设计电路的应用。实践证明，该前置放大器实现并满足了设计要求，有效的抑制了相关干扰噪声，提高了信号的识别能力，保证了较高的动态范围，在实际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；长线传输

时间域航空电磁法（ATEM）主要应用于金属矿产探测、工程勘查等方面，是一种有效的资源勘查方法[1]。时间域航空电磁法仪器设备具有勘探深度大、分辨能力强、测量精度高、成图时间短等技术特点[2-3]，是我国急需的矿产资源勘查技术装备之一。ATEM系统主要包括飞行器、发射机、接收机、传感器、预处理及解释软件等部分[4]。其中传感器大多为漆包线绕制的多圈线圈组成，而接收机大多采用工控机和模数采集板的方案。此外由于ATEM系统的特殊应用性，接收机往往安装在飞行器平台上，而接收线圈大多采用吊揽拖拽的方式，信号的传输通过吊揽内部的多芯导线完成。因此这就需要研制即能匹配接收线圈的阻抗特性，又能对微弱小信号放大及长线传输不失真的前置放大器。

1 装置形式及需求分析

iFTEM系统是中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所基于国产Y12IV型飞机平台研制的固定翼时间域航空电磁测量系统[5]。其主要装置形式类似GeoTEM系统[6]，如图1所示。

该ATEM系统具有如下的特征，飞行器采用固定翼飞机平台；发射机和接收机布置在Y12IV机舱内部；发射线圈围绕飞机外围边框组成；接收线圈布置在接收吊舱中；其与飞机的水平距离约为130 m，垂直距离约为50 m，地面距离约为70 m。因此该系统的前置放大器应具有以下功能：1）能对接收线圈进行阻抗匹配，不发生过阻尼及欠阻尼状态响应；2）能对微弱二次场信号进行放大，保证有效的动态范围和低噪声水平；3）能够进行长线（约为150 m）传输，不发生信号的失真及外围耦合干扰；4）能够输出足够有效范围的信号，保证在接收机有效的ADC量程及带宽范围之内。以上要求也是大多数固定翼时间域航空电磁测量系统研制过程中的所必需考虑的。

图1 ATEM系统装置形式图

2 多芯线圈阻抗匹配

多芯线圈作为接收系统中传感器的主体部分，是系统的信号来源，既要有较高的灵敏度和品质因数，以实现对微弱信号的测量；又不能产生自激或时间常数过大造成信号的失真[7]。时间域航空电磁测量线圈由于受到接收吊舱体积的限制，单圈接收面积往往不能过大，为了保证在有限范围内的达到更大等效接收面积，造成对接收线圈绕制的圈数很大；另外由于重量的限制和圈数的增加，并不能采用普通低电阻率的漆包线，此外为了保证抗拉伸性能，一般使用直径在0.1 mm尼龙丝包金属线。因此采用该方法绕制的接收线圈的内阻r和电感L很大，不能忽略，需要进行人为的阻抗匹配，保证信号的有效接收。为了实现该目标，针对特殊场合的空芯多圈线圈，通过对比采用的阻尼电阻计算经验公式和现场实际应用试验得到如下所示的结果。在使用180 kΩ的电阻时，接收线圈表现为达到了临界状态，输入及输出在有效的带宽范围之内成线性变化；在远大于180 kΩ时，接收线圈表现为达到了欠阻尼状态，发生了自激振荡；在远小于180 kΩ时，接收线圈表现为过阻尼状态，发生了信号失真。

3 差分式放大电路

一般的ATEM系统发射机利用围绕飞行器外围边框绕制形成的回线线圈向地下发送规则的电流波形（一次场），发射的一次场波形一般为周期性脉冲序列，常见的有梯形波、三角波、半正弦波等[8]。接收机通过接收线圈测量由地下介质产生的随时间的感生电磁场强（二次场）的变化，从而探测地下不均匀体的位置，并估计其规模和导电性能。接收线圈接收到的二次场信号具有频带宽和动态范围大的特性，分为早期和晚期数据[9]。二次场信号的具有一般的特性，早期信号幅度大（nV～pV数量级）、衰减快（在几百μS内），主要反映了地表浅层信息；而晚期信号幅度小（pV～fV数量级）、衰减慢（在几百μs～ps），主要反映了地下深部信息[10]。因此，前置放大器需具有对二次场信号进行放大，同时也要具有抑制零点漂移及干扰噪声的能力，以进一步提高系统的灵敏度。由于前置放大器产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大，所以前置放大器的噪声系数对整个系统的噪声特性具有决定性作用。与普通集成运放相比，应选用噪声水平及性能指标更好的集成运放[11]。文中采用了BB公司生产的超低噪声水平的高速集成运放OPA637构成的差分式放大电路，如图2所示。

图2 差分式放大电路原理图

该电路输入级由于采用差分式结构，当电路引入的共模噪声、电源噪声和电磁干扰噪声都会在同一时间以相同的幅度增加到同向输入端和反向输入端，这些干扰噪声信号的互为同向[12]。此放大电路对二次场进行放大时，因其具有只能对差模信号放大的特性，所有噪声信号共模成分都会在差分信号中进行平衡抵消，保留二次场的原始信号，从而抑制了干扰噪声，并且对原始信号进行了有效放大。

4 长线传输电路

由于ATEM系统中接收机布置在飞行器机舱内部，而接收线圈布置在吊舱中，正常作业时，接收吊揽收放约有150米的距离，因此接收机收到的由传感器产生的信号也要经这么长的电缆传输给模数采集板。因此就要考虑信号在长线传输上会遇到两个问题：一是有信号传输带来的衰减和延时，二是长线传输容易受到外界的电磁干扰。测量数据的质量直接关系到解释结果的准确程度，因此研究排除各种影响数据质量的方法其意义是很显然的[13]。这就要求信号的发送端和接收端采用差分双端平衡传输方式，且具有足够大的幅度能够驱动较长的电缆。该多芯电缆应采用成对双绞绕制的屏蔽线，来减小信号畸变和外界干扰。

针对实际情况，采用了BB公司生产的音频平衡线路驱动器 DRV134和音频差分线路接收器INA137构成的长线传输电路，如图3所示。该对平衡式音频长线传输器由高性能运算放大器和精密电阻构成，它们具有卓越的交流信号传输能力，能够最佳的对传输线路中的共模进行抑制，此外由于具有很宽的压摆率和高输出电流能力，能够轻松的驱动具有大容性负载特性的传输电缆。根据ATEM系统信号的特性，不能丢失或影响二次场信号的频率特征，因此长线传输后的对信号的失真度要求很高。由DRV134给出的理论失真度为0.000 5%（1 kHz测量），经过实际测量在使用150 m双绞屏幕电缆时的失真度为0.045%（动态信号分析仪测量），完全满足了ATEM系统的要求，长线传输后未对原始信号产生很大干扰和导致信号的畸变。

图3 长线传输电路结构图

5 二阶低通滤波器

在ATEM系统中接收机的模数采集板端最后接入的信号，难免会耦合有高频成分，它们有可能来自接收线圈、长线电缆、外界干扰噪声。接收线圈由于本身就为电磁信号接收器件，虽然其频率特性是按照接收二次场的带宽设计，但是在其对带宽范围之外的高频信号仍有耦合能力；长线电缆在进行信号传输时，其屏蔽层接地电阻并不完全为零，可以看作是具有接收效应的天线，耦合产生的高频信号的成分有可能干扰到有效信号；飞行器平台上装有大量的电磁设备，例如低频电台、导航信标台等，它们不可避免的会对布置在飞行器平台上的接收设备带来影响。因此，就要求在接收信号的末端对不需要的高频信号进行去除，考虑到二次场信号的频率特征及模数采集卡的采样频率，最终得出需要在前置放大器终端设计低通滤波器。该低通滤波器的截止频率应该在系统的带宽之外，减少对二次场信号的影响，并且其带通区域应为平缓的直线，带内波动不宜过大，因此选用了在其通频带内具有很高平坦度的巴特沃斯型滤波器[14]。

以上滤波器电路基于FilterPro软件和Proteus软件设计并仿真[15]，该巴特沃斯型低通滤波器采用Sallen Key的二阶电路形式，通频带内增益为0 dB，允许的带内波动为1 dB，转折衰减为-3 dB时其带通宽度为28 kHz。该电路对器件的品质因数要求达到0.71，集成运放的增益带宽积达到1.9 MHz。总之，使用该滤波器后其通频带内平坦响应 （增益近似为1），相位延迟较低并且近似线性，满足了设计要求。

6 结 论

文中围绕ATEM系统中接收机前置放大器的设计要求展开工作，重点分析了iFTEM时间域航空电磁测量系统中前置放大器的实现方法，对它们采用的空芯多圈线圈的阻抗匹配技术、模拟前端差分式放大电路、用于吊舱线缆的长线传输电路、信号输出级二阶低通滤波器进行了详细的描述并给出了参数，以及它们对有用信号的影响也进行了具体的分析。总之，依据本文的设计与实现方案，能够制作一款适用于ATEM系统中接收机的性能优良的前置放大器。

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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稿件编号：201605226

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA063903）

刘俊杰（1989—），男，河北廊坊人，助理工程师。研究方向：仪器仪表设计、航空物探仪器。