剖析FPGA的高精度電磁信號采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 為了滿足瞬變電磁探測中晚期電磁信號采集的要求，選擇高性能24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7762，以FPGA為控制核心實現(xiàn)信號的高精度采集，結(jié)合USB2.0接口芯片CY7C68013-A，將采集的數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機，上位機采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，完成數(shù)據(jù)顯示和分析功能。實驗結(jié)果表明，基于FPGA的電磁信號采集系統(tǒng)具有良好的性能指標(biāo)和擴展性，測量準(zhǔn)確，能夠滿足電磁探測數(shù)據(jù)采集的要求。

瞬變電磁探測是應(yīng)用較為廣泛有效的地下礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)調(diào)查方法之一。它通過發(fā)射機發(fā)射激勵場源，當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時在地下導(dǎo)電性的介質(zhì)或地質(zhì)體中感生渦流形成瞬變二次磁場，在一次場間隙時間內(nèi)測量二次場隨時間衰減響應(yīng)，最后通過數(shù)據(jù)反演解釋，直接給出探測區(qū)域的地下視電阻斷面圖。

瞬變電磁信號采集系統(tǒng)采集到的二次場電磁信號動態(tài)范圍大、信號微弱、頻帶寬，特別是中晚期響應(yīng)幅值小、衰減慢，幅值從毫伏級（或微伏級）衰減到微伏級（或納伏級），觀測時間需要幾百微秒到幾毫秒甚至幾秒，晚期信號反映深層地下結(jié)構(gòu)，測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響后期處理解釋，需要精確地采集瞬變響應(yīng)信號［1］。晚期瞬變電磁信號變化緩慢，傳統(tǒng)16位分辨率的采集系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求，為了提高分辨率，增強信噪比，本設(shè)計采用24位采集技術(shù)與雙級程控放大濾波去噪，實現(xiàn)瞬變電磁信號的高分辨率采集，結(jié)合FPGA在數(shù)據(jù)獲取方面優(yōu)越的實時與并行控制性能，簡化了硬件電路結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)的功能升級，可以快速實現(xiàn)多路電磁信號的高精度采集。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

瞬變信號采集系統(tǒng)由接收線圈、低噪聲模擬信號調(diào)理電路、24位ADC單元、FPGA、USB2.0接口單元等組成。低噪聲模擬信號調(diào)理電路采用雙級程控放大濾波去噪技術(shù)，對接收線圈接收到的電磁信號放大、濾波；FPGA作為整個采集系統(tǒng)的控制邏輯核心，完成采集過程的邏輯控制，獲取采樣數(shù)據(jù);USB2.0接口芯片CY7C68013-A將數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機，上位機采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，完成采樣參數(shù)的設(shè)置控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能，瞬變電磁信號采集系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模擬信號調(diào)理單元

瞬變電磁信號中含有天然低頻電磁噪聲、工頻噪聲、風(fēng)動噪聲成分，如果不進行處理，噪聲將與有用信號一起輸出，嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。模擬信號調(diào)理電路設(shè)計采用雙級程控放大與低通濾波去噪相結(jié)合的方式，去除信號中的噪聲，并使被測電壓范圍和A/D采樣范圍相匹配。

模擬信號調(diào)理單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。前置放大器采用低噪聲高輸入阻抗的AD8421，前放與雙級程控放大器之間加入抑制工頻及其諧波干擾的陷波器。為了提高信噪比，雙級程控放大器采用ADI公司的AD8231，AD8231可以通過引腳編程選擇增益，最大為128，當(dāng)增益G=1時，共模抑制比（CMRR）為80 dB，共模抑制比隨增益提高而增加，最高可達110 dB，輸入偏置電壓漂移最大為50 nV/℃，可以有效改善電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫漂性能［2］。瞬變電磁信號放大后，再通過低通濾波器去除頻帶以外的干擾，系統(tǒng)分辨率可達到0.05 μV。

2.2 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元

系統(tǒng)采用兩片單通道24位并行輸出Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7762，其具有寬頻帶差分信號輸入，最高轉(zhuǎn)換速率可達625 kS/s。能根據(jù)需求靈活地通過軟件設(shè)置來改變過采樣因子， 當(dāng)輸入時鐘頻率一定時，過采樣因子越大，輸出速率越低，但信噪比越高，這一特性正好符合電磁采集的要求，即頻率越低，要求信噪比越高［3］，其具有較寬的動態(tài)范圍和輸入帶寬，適合于低功耗數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

AD7762是對噪聲敏感的模擬器件，所以在電路及PCB設(shè)計時需要做到以下幾個方面：A/D模擬電源單獨供電（模擬電源與數(shù)字電源分開供電，電源輸入引腳增加三端濾波器，減少電源噪聲對A/D干擾）；模擬地和數(shù)字地單點接地；差分輸入線等長；采用精確的參考電壓源［4］。

AD7762內(nèi)部自帶一個2.0 V的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)有效精度接近或超過20位時，內(nèi)部基準(zhǔn)無法提供穩(wěn)定的電壓，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，采用外部低噪聲基準(zhǔn)電壓，選用ADI公司的高精度電壓參考源芯片ADR434，它具有低噪聲、高精度和出色的長期穩(wěn)定性，輸出電壓為4.096 V，電壓可以穩(wěn)定到1.5 mV。

2.3 USB2.0接口單元

USB2.0接口單元主要由微控制器、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊組成，如圖3所示。微控制器采用Cypress公司的CY7C68013-A，由它完成數(shù)據(jù)采集控制及數(shù)據(jù)采集后與PC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)存儲模塊采用CH376控制器，將采集到的電磁數(shù)據(jù)以二進制文件形式保存到USB存儲設(shè)備中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 信號采集流程

系統(tǒng)首先通過設(shè)置AD7762工作模式及其采樣率啟動采集，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置放大倍數(shù)、設(shè)置采樣點數(shù)、設(shè)置疊加次數(shù)。由于每次啟動AD7762會有一定延遲，為了保證與發(fā)射機同步的精度，AD7762啟動后一直工作，當(dāng)系統(tǒng)檢測到同步信號后，將24位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)暫存在FPGA內(nèi)部的RAM中。

每次采集點數(shù)達到所需時，系統(tǒng)從RAM中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，通過檢驗數(shù)據(jù)是否有效，以FPGA硬件方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的疊加平均，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)可通過液晶顯示電磁信號電壓衰減曲線，也可通過USB傳輸至上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示。信號采集控制的流程圖如圖4所示。

3.2 AD7762采樣控制程序

AD7762采樣控制模塊采用Verilog HDL語言編寫，固化在FPGA內(nèi)，完成A/D初始化控制及A/D數(shù)據(jù)讀控制，其中A/D初始化控制完成對A/D內(nèi)部控制寄存器的寫操作，而A/D數(shù)據(jù)讀控制完成對A/D數(shù)據(jù)的讀取，F(xiàn)PGA提供AD7762工作所需的時鐘信號。具體控制邏輯根據(jù)AD7762的時序圖設(shè)計，F(xiàn)PGA控制A/D的模塊圖如圖5所示。

模塊中FPGA通過 PARD［15..0］向AD7762寄存器寫入配置數(shù)據(jù)及讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，AD_DATA［23..0］輸出24位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)［5］， nRESET是A/D的復(fù)位信號，reset_n是系統(tǒng)的復(fù)位信號，mclk接FPGA內(nèi)部PLL輸出20 MHz時鐘信號，n_SYNC是同步信號。

3.3 USB固件程序

固件程序主要實現(xiàn)芯片的初始化、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求和控制芯片CY7C68013接收應(yīng)用程序的控制指令等功能。在使用FX2芯片進行應(yīng)用開發(fā)時，利用其固件框架可以簡化、加速開發(fā)，它提供任務(wù)調(diào)度、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求解析和USB中斷處理三類子函數(shù)［6］。通過編寫固件初始化函數(shù)TD_Init（）即可完成芯片端點和外設(shè)的配置等［7］，系統(tǒng)中設(shè)置端點6為輸入端點，16位數(shù)據(jù)自動輸入。

4 系統(tǒng)測試

4.1 短路噪聲測試

將采集系統(tǒng)的模擬信號輸入端短路，模擬通道增益設(shè)置為1，記錄系統(tǒng)在短路情況下噪聲的時間序列并進行頻譜分析。如圖6所示為短路噪聲測試結(jié)果，從時域波形看峰值約為 0.1 mV，頻譜分析結(jié)果顯示整個頻帶短路噪聲幅度低于110 dB。

4.2 有效采樣位數(shù)實驗

為了驗證設(shè)計采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7762的有效采樣位數(shù)，采用SG1060A數(shù)字合成信號發(fā)生器給出基準(zhǔn)信號，同時用LNI公司的LNI-T UT805A型5位半數(shù)字萬用表進行監(jiān)測。實驗信號為0 V基準(zhǔn)電壓，每隔60 s取一次采樣數(shù)據(jù)，萬用表監(jiān)測電壓與輸出的24位采樣數(shù)據(jù)的關(guān)系如表1所示。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)有效采樣位數(shù)可達到18位。

針對瞬變電磁信號的特點設(shè)計了基于FPGA的電磁信號采集系統(tǒng)，實驗測試結(jié)果表明，采集系統(tǒng)取得了良好的性能。采用FPGA控制系統(tǒng)設(shè)計更為靈活方便，減少外部控制線的數(shù)量，使系統(tǒng)減小干擾，更為可靠；采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，具有良好的可擴展性，功耗低，兩個通道可同時采集，實現(xiàn)瞬變電磁信號的多通道采集，數(shù)據(jù)可以上傳存儲在PC中，實現(xiàn)進一步的分析和處理。

參考文獻

［1］ 牛之璉。 時間域電磁法原理［M］。 長沙： 中南大學(xué)出版社， 2007:88-93.

［2］ 韓祖淵， 張赤斌， 徐揚。 基于ARM7的高精度陣列式皮帶秤微控制器的設(shè)計［J］。 儀表技術(shù)與傳感器， 2010（9）：

60-62.

［3］ 裴婧， 蔣奇云。 基于AD7762的廣域電磁接收機采集器設(shè)計［J］。 地球物理學(xué)進展， 2010， 25（3）：1110-1114.

［4］ 彭輝。 24通道高精度A/D數(shù)據(jù)采集模塊的研制［J］。 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2008（14）：41-42，48.

［5］ 王霖郁， 張建宏。 基于AD7762和FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］。 電子科技， 2012， 25（6）：30-33.

［6］ 夏益明，王廣君?；赨SB總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］。國外電子元器件， 2003（10）：20-23.

［7］ 焦斌亮， 韓志學(xué)?；贓Z-USB FX2實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］。 儀表技術(shù)與傳感器， 2005（7）：21-22.

編輯：jq