作者：陈凯，邓明，谭捍东，韩冰，屈栓柱 单位：中国地质大学（北京） “地下信息探测技术与仪器”教育部重点实验室, 北京海淀 100083

然电场法是利用电化学作用在周围产生的自然极化电场进行找矿、填图和解决水文地质问题的一种被动源电法勘探方法 [1]。采用电位观测法是观测自然电场的最常用的方式。传统的测量自然电场仪器只能测量单通道信号，并且不能实现数据存储和导出功能。本方案设计的自然电场记录器目的在于实现对mV级的低频自然电场信号的采集，并进行数据显示、存储、浏览，以及与PC机之间的通信。

1 硬件电路设计
对于微弱的自然电场信号，幅值处于数百微伏至数十毫伏之间，频带处于0.01—100Hz范围内。为实现对mV级的低频自然电场信号的采集、数据存储显示、用户按键操作以及与PC机串口数据传输等功能，设计出相应的硬件电路模块。硬件框图如图1所示，由DC/DC模块、前置放大与低通模块、A/D (AD7705)模数转换电路、FLASH（AT45DB041）存储模块、LCD（LCM1602）显示模块和串口通信（MAX232）模块六个模块组成。

图1 硬件原理框图

自然电场信号在前置放大与滤波模块先进行放大和抗混叠滤波，信号再进入A/D模数转换模块，AD7705在单片机设置的参数控制下工作，一次采集结束数据通过LCD显示，用户确认保存时AT89C51将数据写入至FLASH中，最后通过串口将数据导出至PC机中。
DC/DC 模块实现将电池组电压进行稳压整流，转换成电路所需的±5V工作电压和＋2.5V参考电压。前放采用高精密仪表放大器INA2128，INA2128是一种低漂移、高增益、高带宽、高共模抑制比、带内部保护的双通道仪表放大器[2]。外接一个电阻即可实现仪表放大，放大倍数可高达10000，很适合于微弱信号的处理。滤波部分实现为滤除工频及高频噪声。滤波电路采用低功耗双运算放大器OPA2650，组成陷波和低通电路。键盘模块实现单片机扫描键盘响应用户操作，实现用户对采集过程的控制。LCD显示模块采用LCM1602液晶显示模块，支持5×7点阵和2×16字符显示两种模式，自带西文字库，背光亮度和显示对比度可调。由液晶显示屏和内置HD4470驱动器两部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对显示屏的控制。串口通信模块实现 RS232电平与TTL电平的转换，MAX232内含两个接收器和两个发送器，单电源供电，与PC机的串口通信。下面是对A/D（AD7705）模块和 FLASH（AT45DB041）存储模块的接口电路进行分析。

1.1 AD7705接口电路
AD7705是的两通道、16位分辨率、内置可编程增益放大器（范围1～128）、支持SPI接口、可变采样率（20Hz、25Hz、100Hz、200Hz、50Hz、60Hz、 250Hz、500Hz八个档位）、低功耗（3V工作电压功耗为1mW）的∑-△A/D转换器,它适用于宽动态范围测量、工业控制或工艺控制中的低频信号的转换。AD7705灵活的SPI接口使其能很容易地与大多数微处理器进行连接，很容易构成对采样速率要求不高的数据采集系统。因此很适合低频自然电场信号的测量。

图2 AD7705接口电路

AD7705 的编程功能用片内寄存器的设置来控制。对这些寄存器的读/ 写操作通过器件的串行接口来完成。AD7705提供SPI接口，在单片机的IO资源有限的情况下串行数据传输方式利于节省IO资源，由于AT89C51自身不带SPI接口，通过模拟SPI时序对AD7705片内寄存器进行读写操作，实现对AD7705工作方式的设定和数据的读取。SPI接口由SCLK、 DIN、DOUT、DRDY和CS组成，DIN 线用来向片内寄存器传送数据,而DOUT 线用来访问寄存器里的数据。SCLK是串行时钟输入,所有的数据传输都和SCLK信号有关。DRDY线作为状态信号,以提示数据什么时候已准备好从寄存器读数据。输出寄存器中有新的数据时,DRDY 变为低电平。CS 是片选信号,用来选择器件。
接口电路如图2所示，本设计中CS已固定至低电平，单片机P1.4管脚提供时钟SCLK，在上升沿将数据通过DIN数据流写入寄存器。设定参数包括滤波同步、双极性模式、缓冲模式、自校准模式、时钟选择、增益控制和采样率设置等。设置好寄存器启动采集，一次转换结束DRDY管脚为低电平，产生中断通知单片机将数据读出，读数据过程将由SCLK和DOUT配合实现，上升沿DOUT数据有效，单片机读取一次转换数据。两通道循环采集，直到完成用户设定的采集次数。为提高准确度和精度，采取变增益的办法，变增益满足不同的幅值信号；降低基准电压；采用自校准模式。