本發(fā)明涉及地球物理儀器中的電磁法儀器開發(fā)，用于多功能電磁接收機(jī)室內(nèi)及野外現(xiàn)場自檢測試使用，具體的，是一種用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器，可輸出多種特定的波形。

背景技術(shù)：

電磁法(或叫電磁感應(yīng)法)是電法勘探的重要分支。該方法主要利用巖礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，觀測和研究人工或天然形成的電磁場的分布規(guī)律(頻率特性和時(shí)間特性)，進(jìn)而解決有關(guān)的各類地質(zhì)問題。

電磁法是利用人工源或天然場源的電磁波進(jìn)行工程礦產(chǎn)勘探的一種方法，屬于物理勘探中電磁法，常用的有大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)、可控源大地電磁法(CSAMT)、譜激電法(SIP)、時(shí)間域激電法(TDIP)和瞬變電磁法(TDEM)等方法

在多功能電磁接收機(jī)開發(fā)以及使用過程中，室內(nèi)及野外自檢測試是必經(jīng)環(huán)節(jié)，多功能電磁接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP和TDEM等方法的野外測量。

MT方法要求發(fā)生兩路獨(dú)立的白噪聲，信號頻率覆蓋0.1mHz-1000Hz，幅度10mVp；AMT方法與MT方法類似，均為獨(dú)立的雙通道白噪聲，頻率覆蓋范圍為0.01Hz-100kHz；CSAMT方法要求方波掃頻輸出，按照特定的頻率表進(jìn)行掃頻輸出，對輸出波形具有較高的時(shí)間精度，發(fā)射41組頻率，頻率覆蓋范圍0.1Hz-10kHz，循環(huán)掃頻持續(xù)時(shí)間50min；SIP方法與CSAMT方法類似，循環(huán)發(fā)送12個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍1/64Hz-128Hz，循環(huán)掃頻持續(xù)時(shí)間15min；TDIP方法要求輸出正停負(fù)停信號，脈寬2s，占空比1:1，默認(rèn)極化率5％，幅值為10mVp；TDEM方法類似TDIP信號，對關(guān)斷時(shí)間要求較高，幅值為1Vp。

以上各種方法對信號輸出要求迥異，體現(xiàn)在信號的幅值、頻率、波形、時(shí)間同步、選擇通道上，然而現(xiàn)有通用函數(shù)信號發(fā)生器僅能提供寬頻的正弦、方波、三角、調(diào)制波或可編輯的任意波，在通道數(shù)、時(shí)間同步、自動(dòng)切換頻率等方面難以滿足測試要求。

現(xiàn)有的白噪聲信號發(fā)生器帶寬有限，不能滿足寬頻MT測量要求。為開展接收機(jī)的室內(nèi)及野外的一致性測試，需要單獨(dú)開發(fā)與之對應(yīng)的多功能信號模擬器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有通用函數(shù)信號發(fā)生器的不足,本發(fā)明提出一種用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器，該模擬器可以進(jìn)行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP與TDEM 6種制式信號輸出，具有多功能、自動(dòng)循環(huán)掃頻、高精度時(shí)間同步、便攜、低功耗和簡單易用的優(yōu)點(diǎn)，為多功能電磁接收機(jī)的室內(nèi)及野外現(xiàn)場自檢測試提供方案。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器，包括信號模擬器電路，所述信號模擬器電路由GPS模塊、微控制器MCU、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、數(shù)字補(bǔ)償晶振MCXO、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、斬波電路、整形電路、選通開關(guān)、電源電路和鋰電池組成；電源電路連接有鋰電池為信號模擬器電路提供電源；GPS分別接入MCU和FPGA，MCU和FPGA互相連接，MCU連接旋鈕開關(guān)，F(xiàn)PGA連接MCXO、斬波電路、整形電路及選通開關(guān)，斬波電路和整形電路分別連接選通開關(guān)，通過選通開關(guān)進(jìn)行電路信號輸出。

GPS為電路提供時(shí)間信息及PPS秒脈沖；MCU識別旋鈕開關(guān)輸入的模式選擇，根據(jù)模式選擇與FPGA配合產(chǎn)生響應(yīng)的時(shí)鐘信號；FPGA在MCU的控制下進(jìn)行時(shí)鐘信號分頻、頻率合成、PPS觸發(fā)；MCXO為FPGA提供系統(tǒng)時(shí)鐘；斬波電路將FPGA時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換為正負(fù)方波，為MT、AMT、SIP或CSAMT準(zhǔn)備，并根據(jù)方法要求進(jìn)行幅度衰減與限帶；TDIP與TDEM方法信號經(jīng)整形電路輸出，得到正停負(fù)停波形；選通開關(guān)根據(jù)方法要求將斬波電路或整形電路的信號輸出連接至Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz分量。

斬波電路由基準(zhǔn)電壓源、單道單擲開關(guān)K1及運(yùn)放U2組成；前端U1為基準(zhǔn)電壓源，固定輸出2.5V基準(zhǔn)；單刀單擲開關(guān)受控于時(shí)鐘信號SW，當(dāng)SW為高時(shí)，K1閉合，當(dāng)SW為低時(shí)，K1開路；運(yùn)放U2為TI生產(chǎn)的OPA2378，具有零漂移、低噪聲、低功耗的特征；

當(dāng)輸入控制信號SW為高，K1閉合，U2的第3引腳為電壓為零，第2引腳也為零，輸出1引腳為-2.5V；當(dāng)輸入控制信號SW為低，K1斷路，第3引腳和第2引腳均為+2.5V，輸出1引腳為+2.5V；U2B為衰減電路，將±2.5V的方波衰減為±10mV的方波，并限帶為100kHz。

整形電路輸入為CLKA、CLKB，其中CLKA為1:3占空比的方波信號，經(jīng)FPGA分頻得到，脈寬2s，CLKB為1:1占空比的方波信號，脈寬2s；U3A對CLKA進(jìn)行斬波并反向比例放大，輸出SA為峰值-2.5V的方波脈沖信號，U3B對CLKB進(jìn)行斬波并反向比例放大，輸出SB為峰值-2.5V的方波信號；SA井U4A反向比例放大得到5Vp的方波脈沖信號SC；SC與SB經(jīng)U4B進(jìn)行加法運(yùn)算得到負(fù)停正停的目標(biāo)信號，幅值為±2.5V，U5A與U5B進(jìn)行限帶，帶寬設(shè)置為10kHz，其中Vout_TDEM幅值輸出為±1Vpp，Vout_TDIP輸出為±10mVpp。

設(shè)置為MT工作模式時(shí)，F(xiàn)PGA設(shè)置產(chǎn)生兩路獨(dú)立的偽隨機(jī)序列，偽隨機(jī)信號碼元寬度為1ms，長度為16M，兩路信號經(jīng)由斬波電路得到±10mVpp方波信號，Ex、Hy由其中一路序列產(chǎn)生，Ey、Hx由另一路序列產(chǎn)生，模擬開關(guān)設(shè)置為選通斬波電路輸出。

設(shè)置為AMT工作模式時(shí)，區(qū)別于MT模式，碼元寬度設(shè)置為10us，其他一致；

設(shè)置為CSAMT模式時(shí)，MCU讀取GPS時(shí)間信息，根據(jù)頻率表時(shí)間計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的發(fā)射頻率，F(xiàn)PGA在MCU的控制進(jìn)行特定頻點(diǎn)輸出。某個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送結(jié)束后，MCU依次進(jìn)行后續(xù)頻點(diǎn)方波輸出。方波輸出經(jīng)由斬波電路輸出；輸出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

設(shè)置為SIP輸出時(shí)，區(qū)別于CSAMT模式，頻率表切換為特定的SIP頻率表，輸出至Ex、Ey、Ez；其他一致。

設(shè)置為TDIP模式時(shí)，MCU根據(jù)時(shí)間信息控制FPGA，分頻得到2s脈寬占空比分別為1:1和1:3的時(shí)鐘信號；根據(jù)PPS與時(shí)間信息獲取偶數(shù)分鐘脈沖信號PPM，時(shí)鐘上升沿與PPM同步對齊，兩路時(shí)鐘整形電路輸出至三道電場；輸出至Ex、Ey、Ez；

設(shè)置為TDEM模式時(shí)，區(qū)別TDIP模式，信號幅值設(shè)置為±1Vpp，其他一致。

本發(fā)明由FPGA在MCU的控制下產(chǎn)生兩路獨(dú)立的偽隨機(jī)序列，經(jīng)斬波電路后得到白噪聲序列，實(shí)現(xiàn)AMT、MT信號輸出；由FPGA與GPS模塊配合授時(shí)，產(chǎn)生特定頻率的方波，在MCU的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)掃頻輸出，實(shí)現(xiàn)CSAMT、SIP信號輸出；由MCU根據(jù)時(shí)間信息控制FPGA觸發(fā)產(chǎn)生2s脈寬的方波，經(jīng)整形電路產(chǎn)生正停負(fù)停的TDIP及TDEM波形。各波形由選通開關(guān)輸出至對應(yīng)的通道中。

因而，本發(fā)明模擬器可以進(jìn)行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP與TDEM 6種制式信號輸出，具有多功能、自動(dòng)循環(huán)掃頻、高精度時(shí)間同步、便攜、低功耗和簡單易用的優(yōu)點(diǎn)，為多功能電磁接收機(jī)的室內(nèi)及野外現(xiàn)場自檢測試提供方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明信號模擬器電路框圖。

圖2為本發(fā)明的斬波電路原理圖。

圖3為本發(fā)明的整形電路原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器，包括信號模擬器電路，信號模擬器電路由GPS模塊、微控制器MCU、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、MCXO、FPGA、斬波電路、整形電路、選通開關(guān)、電源電路、外部鋰電池組成。

電源電路連接有鋰電池為信號模擬器電路提供電源；GPS分別接入MCU和FPGA，MCU和FPGA互相連接，MCU連接旋鈕開關(guān)，F(xiàn)PGA連接MCXO、斬波電路、整形電路及選通開關(guān)，斬波電路和整形電路分別連接選通開關(guān)，通過選通開關(guān)進(jìn)行電路信號輸出。

其中GPS為電路提供時(shí)間信息及PPS秒脈沖，型號為Ublox-6T模塊；MCU識別旋鈕開關(guān)輸入的模式選擇，根據(jù)模式選擇與FPGA配合產(chǎn)生響應(yīng)的時(shí)鐘信號，MCU選擇TI MSP430系列單片機(jī)；FPGA為Altera的MAX10系列FPGA產(chǎn)品，在MCU的控制下進(jìn)行時(shí)鐘信號分頻、頻率合成、PPS觸發(fā)；MCXO數(shù)字補(bǔ)償晶振為FPGA提供系統(tǒng)時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率12.288MHz，頻率穩(wěn)定度為±10ppb；斬波電路將FPGA時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換為正負(fù)方波，為MT、AMT、SIP、CSAMT準(zhǔn)備，并根據(jù)方法要求進(jìn)行特定比例的幅度衰減與限帶；TDIP與TDEM方法信號經(jīng)整形電路輸出，得到正停負(fù)停波形；選通開關(guān)根據(jù)方法要求將斬波電路或整形電路的信號輸出連接至Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz分量。

如圖2所示，斬波電路由基準(zhǔn)電壓源、單道單擲開關(guān)及運(yùn)放組成。前端U1為基準(zhǔn)電壓源，固定輸出2.5V基準(zhǔn)，為Linear公司生產(chǎn)的LT1019-2.5，具有高精度、低功耗、低溫漂的特征；單刀單擲開關(guān)受控于時(shí)鐘信號SW，當(dāng)SW為高時(shí)，K1閉合，當(dāng)SW為低時(shí)，K1開路；運(yùn)放U2為TI生產(chǎn)的OPA2378，具有零漂移、低噪聲、

當(dāng)輸入控制信號SW為高，K1閉合，U2的第3引腳為電壓為零，第2引腳也為零，輸出1引腳為-2.5V；當(dāng)輸入控制信號SW為低，K1斷路，第3引腳和第2引腳均為+2.5V，輸出1引腳為+2.5V；U2B為衰減電路，將±2.5Vpp的方波衰減為±10mVpp的方波，并限帶為100kHz。

如圖3所示，整形電路輸入為CLKA、CLKB，其中CLKA為1:3占空比的方波信號，經(jīng)FPGA分頻得到，脈寬2s，CLKB為1:1占空比的方波信號，脈寬2s；U3A對CLKA進(jìn)行斬波并反向比例放大，輸出SA為峰值-2.5V的方波脈沖信號，U3B對CLKB進(jìn)行斬波并反向比例放大，輸出SB為峰值-2.5V的方波信號；SA井U4A反向比例放大得到5Vp的方波脈沖信號SC；SC與SB經(jīng)U4B進(jìn)行加法運(yùn)算得到負(fù)停正停的目標(biāo)信號，幅值為±2.5V，U5A與U5B進(jìn)行限帶，帶寬設(shè)置為10kHz，其中Vout_TDEM幅值輸出為±2Vpp，Vout_TDIP輸出為±20mVpp。

設(shè)置為MT工作模式時(shí)，F(xiàn)PGA設(shè)置產(chǎn)生兩路獨(dú)立的偽隨機(jī)序列，偽隨機(jī)信號碼元寬度為1ms，長度為16M，兩路信號經(jīng)由斬波電路得到10mVpp方波信號，Ex、Hy由其中一路序列產(chǎn)生，Ey、Hx由另一路序列產(chǎn)生，模擬開關(guān)設(shè)置為選通斬波電路輸出。

設(shè)置為AMT工作模式時(shí)，區(qū)別于MT模式，碼元寬度設(shè)置為10us，其他一致；

設(shè)置為CSAMT模式時(shí)，MCU讀取GPS時(shí)間信息，根據(jù)頻率表時(shí)間計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的發(fā)射頻率，F(xiàn)PGA在MCU的控制進(jìn)行特定頻點(diǎn)輸出。某個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送結(jié)束后，MCU依次進(jìn)行后續(xù)頻點(diǎn)方波輸出。方波輸出經(jīng)由斬波電路輸出；輸出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

設(shè)置為SIP輸出時(shí)，區(qū)別于CSAMT模式，頻率表切換為特定的SIP頻率表，輸出至Ex、Ey、Ez；其他一致。

設(shè)置為TDIP模式時(shí)，MCU根據(jù)時(shí)間信息控制FPGA，分頻得到2s脈寬占空比分別為1:1和1:3的時(shí)鐘信號。根據(jù)PPS與時(shí)間信息獲取偶數(shù)分鐘脈沖信號PPM，時(shí)鐘上升沿與PPM同步對齊，兩路時(shí)鐘整形電路輸出至三道電場；輸出至Ex、Ey、Ez；

設(shè)置為TDEM模式時(shí)，區(qū)別TDIP模式，信號幅值設(shè)置為±1V，其他一致；

本發(fā)明用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器主要參數(shù)：

多功能：MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP、TDEM；

輸出通道：6(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz)；

同步精度：優(yōu)于10us；

輸出信號參數(shù)：

MT：偽隨機(jī)、頻帶：0.1mHz-1000Hz、幅度10mVp；

AMT：偽隨機(jī)、頻帶：0.01Hz-100kHz、幅度10mVp；

CSAMT：方波、41頻點(diǎn)、50min頻率表循環(huán)、幅度10mVp；

SIP：方波、12頻點(diǎn)、15min頻率表循環(huán)、幅度10mVp；

TDIP：正停負(fù)停、脈寬2s、幅度10mVp、預(yù)設(shè)極化率5％；

TDEM：正停負(fù)停、脈寬2s、幅度1Vp

功耗：小于100mW(不含GPS模塊)

主要接口：旋鈕開關(guān)、磁道輸出、電道輸出、鋰電池充電口、LED指示、GPS天線。

操作方法：將本發(fā)明用于多功能電磁法接收機(jī)測試用的信號模擬器置于有GPS信號的區(qū)域，輸出端接入至多功能電磁接收機(jī)中，根據(jù)接收機(jī)測試需求選擇不同的模式，信號模擬器自動(dòng)輸出對應(yīng)的波形、LED指示工作狀態(tài)。注：MT、AMT模式下無需GPS信號支持。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。