剖析FPGA的高精度电磁信号采集系统设计
摘要： 为了满足瞬变电磁探测中晚期电磁信号采集的要求，选择高性能24位模数转换器AD7762，以FPGA为控制核心实现信号的高精度采集，结合USB2.0接口芯片CY7C68013-A，将采集的数据高速传输至上位机，上位机采用LabVIEW作为开发平台，完成数据显示和分析功能。实验结果表明，基于FPGA的电磁信号采集系统具有良好的性能指标和扩展性，测量准确，能够满足电磁探测数据采集的要求。
瞬变电磁探测是应用较为广泛有效的地下矿产勘探、地质调查方法之一。它通过发射机发射激励场源，当发射电流关断时在地下导电性的介质或地质体中感生涡流形成瞬变二次磁场，在一次场间隙时间内测量二次场随时间衰减响应，最后通过数据反演解释，直接给出探测区域的地下视电阻断面图。
瞬变电磁信号采集系统采集到的二次场电磁信号动态范围大、信号微弱、频带宽，特别是中晚期响应幅值小、衰减慢，幅值从毫伏级（或微伏级）衰减到微伏级（或纳伏级），观测时间需要几百微秒到几毫秒甚至几秒，晚期信号反映深层地下结构，测量数据的质量直接影响后期处理解释，需要精确地采集瞬变响应信号［1］。晚期瞬变电磁信号变化缓慢，传统16位分辨率的采集系统已经不能满足要求，为了提高分辨率，增强信噪比，本设计采用24位采集技术与双级程控放大滤波去噪，实现瞬变电磁信号的高分辨率采集，结合FPGA在数据获取方面优越的实时与并行控制性能，简化了硬件电路结构，有利于系统的功能升级，可以快速实现多路电磁信号的高精度采集。
1 系统总体结构
瞬变信号采集系统由接收线圈、低噪声vwin 信号调理电路、24位ADC单元、FPGA、USB2.0接口单元等组成。低噪声模拟信号调理电路采用双级程控放大滤波去噪技术，对接收线圈接收到的电磁信号放大、滤波；FPGA作为整个采集系统的控制逻辑核心，完成采集过程的逻辑控制，获取采样数据;USB2.0接口芯片CY7C68013-A将数据高速传输至上位机，上位机采用LabVIEW作为开发平台，完成采样参数的设置控制、数据分析和显示功能，瞬变电磁信号采集系统组成框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 模拟信号调理单元
瞬变电磁信号中含有天然低频电磁噪声、工频噪声、风动噪声成分，如果不进行处理，噪声将与有用信号一起输出，严重影响测量结果的准确度。模拟信号调理电路设计采用双级程控放大与低通滤波去噪相结合的方式，去除信号中的噪声，并使被测电压范围和A/D采样范围相匹配。
模拟信号调理单元结构图如图2所示。前置放大器采用低噪声高输入阻抗的AD8421，前放与双级程控放大器之间加入抑制工频及其谐波干扰的陷波器。为了提高信噪比，双级程控放大器采用ADI公司的AD8231，AD8231可以通过引脚编程选择增益，最大为128，当增益G=1时，共模抑制比（CMRR）为80 dB，共模抑制比随增益提高而增加，最高可达110 dB，输入偏置电压漂移最大为50 nV/℃，可以有效改善电磁数据采集系统的温漂性能［2］。瞬变电磁信号放大后，再通过低通滤波器去除频带以外的干扰，系统分辨率可达到0.05 μV。
2.2 24位模数转换器单元
系统采用两片单通道24位并行输出Sigma-Delta模数转换芯片AD7762，其具有宽频带差分信号输入，最高转换速率可达625 kS/s。能根据需求灵活地通过软件设置来改变过采样因子， 当输入时钟频率一定时，过采样因子越大，输出速率越低，但信噪比越高，这一特性正好符合电磁采集的要求，即频率越低，要求信噪比越高［3］，其具有较宽的动态范围和输入带宽，适合于低功耗数据采集应用。
AD7762是对噪声敏感的模拟器件，所以在电路及PCB设计时需要做到以下几个方面：A/D模拟电源单独供电（模拟电源与数字电源分开供电，电源输入引脚增加三端滤波器，减少电源噪声对A/D干扰）；模拟地和数字地单点接地；差分输入线等长；采用精确的参考电压源［4］。
AD7762内部自带一个2.0 V的基准电压，当有效精度接近或超过20位时，内部基准无法提供稳定的电压，为了保证A/D转换的精度，采用外部低噪声基准电压，选用ADI公司的高精度电压参考源芯片ADR434，它具有低噪声、高精度和出色的长期稳定性，输出电压为4.096 V，电压可以稳定到1.5 mV。
2.3 USB2.0接口单元
USB2.0接口单元主要由微控制器、数据存储模块、液晶显示模块组成，如图3所示。微控制器采用Cypress公司的CY7C68013-A，由它完成数据采集控制及数据采集后与PC之间的高速数据传输。数据存储模块采用CH376控制器，将采集到的电磁数据以二进制文件形式保存到USB存储设备中。
3 系统软件设计
3.1 信号采集流程
系统首先通过设置AD7762工作模式及其采样率启动采集，系统工作参数设置包括设置放大倍数、设置采样点数、设置叠加次数。由于每次启动AD7762会有一定延迟，为了保证与发射机同步的精度，AD7762启动后一直工作，当系统检测到同步信号后，将24位转换数据暂存在FPGA内部的RAM中。
每次采集点数达到所需时，系统从RAM中读出转换数据，通过检验数据是否有效，以FPGA硬件方式实现数据的叠加平均，经过处理后的数据可通过液晶显示电磁信号电压衰减曲线，也可通过USB传输至上位机，实现数据分析和显示。信号采集控制的流程图如图4所示。
3.2 AD7762采样控制程序
AD7762采样控制模块采用Verilog HDL语言编写，固化在FPGA内，完成A/D初始化控制及A/D数据读控制，其中A/D初始化控制完成对A/D内部控制寄存器的写操作，而A/D数据读控制完成对A/D数据的读取，FPGA提供AD7762工作所需的时钟信号。具体控制逻辑根据AD7762的时序图设计，FPGA控制A/D的模块图如图5所示。
模块中FPGA通过 PARD［15..0］向AD7762寄存器写入配置数据及读取转换后的结果，AD_DATA［23..0］输出24位A/D转换数据［5］， nRESET是A/D的复位信号，reset_n是系统的复位信号，mclk接FPGA内部PLL输出20 MHz时钟信号，n_SYNC是同步信号。
3.3 USB固件程序
固件程序主要实现芯片的初始化、处理USB标准设备请求和控制芯片CY7C68013接收应用程序的控制指令等功能。在使用FX2芯片进行应用开发时，利用其固件框架可以简化、加速开发，它提供任务调度、标准设备请求解析和USB中断处理三类子函数［6］。通过编写固件初始化函数TD_Init（）即可完成芯片端点和外设的配置等［7］，系统中设置端点6为输入端点，16位数据自动输入。
4 系统测试
4.1 短路噪声测试
将采集系统的模拟信号输入端短路，模拟通道增益设置为1，记录系统在短路情况下噪声的时间序列并进行频谱分析。如图6所示为短路噪声测试结果，从时域波形看峰值约为 0.1 mV，频谱分析结果显示整个频带短路噪声幅度低于110 dB。
4.2 有效采样位数实验
为了验证设计采用24位模数转换器AD7762的有效采样位数，采用SG1060A数字合成信号发生器给出基准信号，同时用LNI公司的LNI-T UT805A型5位半数字万用表进行监测。实验信号为0 V基准电压，每隔60 s取一次采样数据，万用表监测电压与输出的24位采样数据的关系如表1所示。实验结果表明，系统有效采样位数可达到18位。
针对瞬变电磁信号的特点设计了基于FPGA的电磁信号采集系统，实验测试结果表明，采集系统取得了良好的性能。采用FPGA控制系统设计更为灵活方便，减少外部控制线的数量，使系统减小干扰，更为可靠；采用USB2.0标准接口，提高了数据的传输速率，具有良好的可扩展性，功耗低，两个通道可同时采集，实现瞬变电磁信号的多通道采集，数据可以上传存储在PC中，实现进一步的分析和处理。
参考文献
［1］ 牛之琏。 时间域电磁法原理［M］。 长沙： 中南大学出版社， 2007:88-93.
［2］ 韩祖渊， 张赤斌， 徐扬。 基于ARM7的高精度阵列式皮带秤微控制器的设计［J］。 仪表技术与传感器， 2010（9）：
60-62.
［3］ 裴婧， 蒋奇云。 基于AD7762的广域电磁接收机采集器设计［J］。 地球物理学进展， 2010， 25（3）：1110-1114.
［4］ 彭辉。 24通道高精度A/D数据采集模块的研制［J］。 现代电子技术， 2008（14）：41-42，48.
［5］ 王霖郁， 张建宏。 基于AD7762和FPGA的数据采集系统设计［J］。 电子科技， 2012， 25（6）：30-33.
［6］ 夏益明，王广君。基于USB总线的高速数据采集系统［J］。国外电子元器件， 2003（10）：20-23.
［7］ 焦斌亮， 韩志学。基于EZ-USB FX2实现的高速数据采集系统［J］。 仪表技术与传感器， 2005（7）：21-22.
编辑：jq
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