随着科学技术和经济的飞速发展,人类探索太空的步伐日益加快,但是对自身赖以生存的地球内部却知之甚少。因此,全球科学家一直不懈努力地开展地球深部探测研究,目前在勘探地球物理领域,长周期大地电磁测深法(Long Period Magnetotelluric,简称LMT)已经成为研究地球深部构造的重要手段,通过测量不同频率的大地电磁场信号能够获取地球内部不同深部的电性信息,从而反映地质构造。而想要真实有效地反映地球内部电阻率特性、地质构造等信息,性能优越的高精度、稳定可靠的观测仪器是获取大地电磁有效信息的保障,也是后期数据处理的基础。然而,我国还没有商品化的长周期大地电磁仪器,国内相关研究机构和学者近几年多采用LEMI-417仪器和RC_MTMV数据预处理软件系统来进行地球深部构造研究,这一定程度上限制了我国深部探测研究的发展,而且此仪器设备开发年代久远,在部分性能指标和操作便捷性上都还有提高的空间。为了满足我国深部探测的需求,开展地球深部探测研究和自主研发相关探测设备,将为探索地球内部构造及其运动规律、开辟地球深部找矿空间和预防地质灾害提供技术保障,也具有重要的现实意义和科学意义。长周期大地电磁仪器观测天然电磁场信号频率低、振幅小,野外观测条件复杂,各种电磁干扰严重,观测周期长,要求仪器具有更强的噪声抑制能力、极低的温漂和时漂特性,以及较低的功耗水平。本论文选题来源于863重大项目课题——长周期分布式大地电磁观测系统(2014AA06A612),对观测系统中信号采集器开展了设计研发工作,论文主要工作如下:(1)提出了基于FPGA和ARM相结合的LMT信号采集器系统设计方案。通过对LMT信号特征、基本原理和观测方式的研究,以及参考国内外主要仪器的功能需求和性能指标,提出了信号采集器的技术需求和设计方案。(2)设计及研发了带电位补偿的具有低噪声、低漂移特性的五通道电磁信号采集模拟电路。主要设计了基于斩波(自稳零)运算放大器ADA4528的五通道信号调理电路;基于高精度24位模数转换器ADS1281的采集电路;基于16位数模转换AD5542芯片和减法器实现的电位补偿电路;基于PGA281的程控放大电路,根据输入信号自适应的改变增益,提高了模数转换电路对信号的采集分辨率。(3)完成了基于FPGA和ARM相结合的数字控制电路。充分利用FPGA器件的I/O资源丰富、时钟频率高、延时少具有同步时序逻辑控制等特性,建模实现了对五通道电磁场输入信号的逻辑控制、数据处理和传输等,也解决了多通道数据采集时序不能同步和采样丢帧的问题。结合ARM灵活的计算控制能力和完善的外围接口,基于低功耗ARM处理器STM32芯片和外围扩展数字模块(SD卡模块、GPS模块、TFT液晶、WiFi模块等)编程实现了基于FatFs文件系统和SD卡的数据存储,基于GPS的授时定位系统,基于TFT的人机交互界面,基于WiFi的无线监控功能。(4)对LMT信号采集器样机进行了系统性能测试。噪声测试表明信号采集器中磁场信号采集通道在±10,000nT(±10V)双极性单端输入下有0.8nT的峰峰值噪声,电场信号采集通道在±250mV差分输入下具有2μV左右的峰峰值噪声。各通道误差测试低于0.01%,线性度误差低于0.07‰,串扰抑制比高于110dB,通道一致性高达99.8%。结果表明信号采集器各项性能指标基本满足设计需求。