一种用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器的制作方法

本发明涉及地球物理仪器中的电磁法仪器开发，用于多功能电磁接收机室内及野外现场自检测试使用，具体的，是一种用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器，可输出多种特定的波形。

背景技术：

电磁法(或叫电磁感应法)是电法勘探的重要分支。该方法主要利用岩矿石的导电性、导磁性和介电性的差异，应用电磁感应原理，观测和研究人工或天然形成的电磁场的分布规律(频率特性和时间特性)，进而解决有关的各类地质问题。

电磁法是利用人工源或天然场源的电磁波进行工程矿产勘探的一种方法，属于物理勘探中电磁法，常用的有大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)、可控源大地电磁法(CSAMT)、谱激电法(SIP)、时间域激电法(TDIP)和瞬变电磁法(TDEM)等方法

在多功能电磁接收机开发以及使用过程中，室内及野外自检测试是必经环节，多功能电磁接收机可以实现MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP和TDEM等方法的野外测量。

MT方法要求发生两路独立的白噪声，信号频率覆盖0.1mHz-1000Hz，幅度10mVp；AMT方法与MT方法类似，均为独立的双通道白噪声，频率覆盖范围为0.01Hz-100kHz；CSAMT方法要求方波扫频输出，按照特定的频率表进行扫频输出，对输出波形具有较高的时间精度，发射41组频率，频率覆盖范围0.1Hz-10kHz，循环扫频持续时间50min；SIP方法与CSAMT方法类似，循环发送12个频点，频率范围1/64Hz-128Hz，循环扫频持续时间15min；TDIP方法要求输出正停负停信号，脉宽2s，占空比1:1，默认极化率5％，幅值为10mVp；TDEM方法类似TDIP信号，对关断时间要求较高，幅值为1Vp。

以上各种方法对信号输出要求迥异，体现在信号的幅值、频率、波形、时间同步、选择通道上，然而现有通用函数信号发生器仅能提供宽频的正弦、方波、三角、调制波或可编辑的任意波，在通道数、时间同步、自动切换频率等方面难以满足测试要求。

现有的白噪声信号发生器带宽有限，不能满足宽频MT测量要求。为开展接收机的室内及野外的一致性测试，需要单独开发与之对应的多功能信号模拟器。

技术实现要素：

为了克服现有通用函数信号发生器的不足,本发明提出一种用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器，该模拟器可以进行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP与TDEM 6种制式信号输出，具有多功能、自动循环扫频、高精度时间同步、便携、低功耗和简单易用的优点，为多功能电磁接收机的室内及野外现场自检测试提供方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器，包括信号模拟器电路，所述信号模拟器电路由GPS模块、微控制器MCU、旋转开关、数字补偿晶振MCXO、现场可编程门阵列FPGA、斩波电路、整形电路、选通开关、电源电路和锂电池组成；电源电路连接有锂电池为信号模拟器电路提供电源；GPS分别接入MCU和FPGA，MCU和FPGA互相连接，MCU连接旋钮开关，FPGA连接MCXO、斩波电路、整形电路及选通开关，斩波电路和整形电路分别连接选通开关，通过选通开关进行电路信号输出。

GPS为电路提供时间信息及PPS秒脉冲；MCU识别旋钮开关输入的模式选择，根据模式选择与FPGA配合产生响应的时钟信号；FPGA在MCU的控制下进行时钟信号分频、频率合成、PPS触发；MCXO为FPGA提供系统时钟；斩波电路将FPGA时钟信号转换为正负方波，为MT、AMT、SIP或CSAMT准备，并根据方法要求进行幅度衰减与限带；TDIP与TDEM方法信号经整形电路输出，得到正停负停波形；选通开关根据方法要求将斩波电路或整形电路的信号输出连接至Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz分量。

斩波电路由基准电压源、单道单掷开关K1及运放U2组成；前端U1为基准电压源，固定输出2.5V基准；单刀单掷开关受控于时钟信号SW，当SW为高时，K1闭合，当SW为低时，K1开路；运放U2为TI生产的OPA2378，具有零漂移、低噪声、低功耗的特征；

当输入控制信号SW为高，K1闭合，U2的第3引脚为电压为零，第2引脚也为零，输出1引脚为-2.5V；当输入控制信号SW为低，K1断路，第3引脚和第2引脚均为+2.5V，输出1引脚为+2.5V；U2B为衰减电路，将±2.5V的方波衰减为±10mV的方波，并限带为100kHz。

整形电路输入为CLKA、CLKB，其中CLKA为1:3占空比的方波信号，经FPGA分频得到，脉宽2s，CLKB为1:1占空比的方波信号，脉宽2s；U3A对CLKA进行斩波并反向比例放大，输出SA为峰值-2.5V的方波脉冲信号，U3B对CLKB进行斩波并反向比例放大，输出SB为峰值-2.5V的方波信号；SA井U4A反向比例放大得到5Vp的方波脉冲信号SC；SC与SB经U4B进行加法运算得到负停正停的目标信号，幅值为±2.5V，U5A与U5B进行限带，带宽设置为10kHz，其中Vout_TDEM幅值输出为±1Vpp，Vout_TDIP输出为±10mVpp。

设置为MT工作模式时，FPGA设置产生两路独立的伪随机序列，伪随机信号码元宽度为1ms，长度为16M，两路信号经由斩波电路得到±10mVpp方波信号，Ex、Hy由其中一路序列产生，Ey、Hx由另一路序列产生，模拟开关设置为选通斩波电路输出。

设置为AMT工作模式时，区别于MT模式，码元宽度设置为10us，其他一致；

设置为CSAMT模式时，MCU读取GPS时间信息，根据频率表时间计算当前时间点的发射频率，FPGA在MCU的控制进行特定频点输出。某个频点发送结束后，MCU依次进行后续频点方波输出。方波输出经由斩波电路输出；输出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

设置为SIP输出时，区别于CSAMT模式，频率表切换为特定的SIP频率表，输出至Ex、Ey、Ez；其他一致。

设置为TDIP模式时，MCU根据时间信息控制FPGA，分频得到2s脉宽占空比分别为1:1和1:3的时钟信号；根据PPS与时间信息获取偶数分钟脉冲信号PPM，时钟上升沿与PPM同步对齐，两路时钟整形电路输出至三道电场；输出至Ex、Ey、Ez；

设置为TDEM模式时，区别TDIP模式，信号幅值设置为±1Vpp，其他一致。

本发明由FPGA在MCU的控制下产生两路独立的伪随机序列，经斩波电路后得到白噪声序列，实现AMT、MT信号输出；由FPGA与GPS模块配合授时，产生特定频率的方波，在MCU的控制下实现自动循环扫频输出，实现CSAMT、SIP信号输出；由MCU根据时间信息控制FPGA触发产生2s脉宽的方波，经整形电路产生正停负停的TDIP及TDEM波形。各波形由选通开关输出至对应的通道中。

因而，本发明模拟器可以进行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP与TDEM 6种制式信号输出，具有多功能、自动循环扫频、高精度时间同步、便携、低功耗和简单易用的优点，为多功能电磁接收机的室内及野外现场自检测试提供方案。

附图说明

图1为本发明信号模拟器电路框图。

图2为本发明的斩波电路原理图。

图3为本发明的整形电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器，包括信号模拟器电路，信号模拟器电路由GPS模块、微控制器MCU、旋转开关、MCXO、FPGA、斩波电路、整形电路、选通开关、电源电路、外部锂电池组成。

电源电路连接有锂电池为信号模拟器电路提供电源；GPS分别接入MCU和FPGA，MCU和FPGA互相连接，MCU连接旋钮开关，FPGA连接MCXO、斩波电路、整形电路及选通开关，斩波电路和整形电路分别连接选通开关，通过选通开关进行电路信号输出。

其中GPS为电路提供时间信息及PPS秒脉冲，型号为Ublox-6T模块；MCU识别旋钮开关输入的模式选择，根据模式选择与FPGA配合产生响应的时钟信号，MCU选择TI MSP430系列单片机；FPGA为Altera的MAX10系列FPGA产品，在MCU的控制下进行时钟信号分频、频率合成、PPS触发；MCXO数字补偿晶振为FPGA提供系统时钟，时钟频率12.288MHz，频率稳定度为±10ppb；斩波电路将FPGA时钟信号转换为正负方波，为MT、AMT、SIP、CSAMT准备，并根据方法要求进行特定比例的幅度衰减与限带；TDIP与TDEM方法信号经整形电路输出，得到正停负停波形；选通开关根据方法要求将斩波电路或整形电路的信号输出连接至Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz分量。

如图2所示，斩波电路由基准电压源、单道单掷开关及运放组成。前端U1为基准电压源，固定输出2.5V基准，为Linear公司生产的LT1019-2.5，具有高精度、低功耗、低温漂的特征；单刀单掷开关受控于时钟信号SW，当SW为高时，K1闭合，当SW为低时，K1开路；运放U2为TI生产的OPA2378，具有零漂移、低噪声、

当输入控制信号SW为高，K1闭合，U2的第3引脚为电压为零，第2引脚也为零，输出1引脚为-2.5V；当输入控制信号SW为低，K1断路，第3引脚和第2引脚均为+2.5V，输出1引脚为+2.5V；U2B为衰减电路，将±2.5Vpp的方波衰减为±10mVpp的方波，并限带为100kHz。

如图3所示，整形电路输入为CLKA、CLKB，其中CLKA为1:3占空比的方波信号，经FPGA分频得到，脉宽2s，CLKB为1:1占空比的方波信号，脉宽2s；U3A对CLKA进行斩波并反向比例放大，输出SA为峰值-2.5V的方波脉冲信号，U3B对CLKB进行斩波并反向比例放大，输出SB为峰值-2.5V的方波信号；SA井U4A反向比例放大得到5Vp的方波脉冲信号SC；SC与SB经U4B进行加法运算得到负停正停的目标信号，幅值为±2.5V，U5A与U5B进行限带，带宽设置为10kHz，其中Vout_TDEM幅值输出为±2Vpp，Vout_TDIP输出为±20mVpp。

设置为MT工作模式时，FPGA设置产生两路独立的伪随机序列，伪随机信号码元宽度为1ms，长度为16M，两路信号经由斩波电路得到10mVpp方波信号，Ex、Hy由其中一路序列产生，Ey、Hx由另一路序列产生，模拟开关设置为选通斩波电路输出。

设置为AMT工作模式时，区别于MT模式，码元宽度设置为10us，其他一致；

设置为CSAMT模式时，MCU读取GPS时间信息，根据频率表时间计算当前时间点的发射频率，FPGA在MCU的控制进行特定频点输出。某个频点发送结束后，MCU依次进行后续频点方波输出。方波输出经由斩波电路输出；输出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

设置为SIP输出时，区别于CSAMT模式，频率表切换为特定的SIP频率表，输出至Ex、Ey、Ez；其他一致。

设置为TDIP模式时，MCU根据时间信息控制FPGA，分频得到2s脉宽占空比分别为1:1和1:3的时钟信号。根据PPS与时间信息获取偶数分钟脉冲信号PPM，时钟上升沿与PPM同步对齐，两路时钟整形电路输出至三道电场；输出至Ex、Ey、Ez；

设置为TDEM模式时，区别TDIP模式，信号幅值设置为±1V，其他一致；

本发明用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器主要参数：

多功能：MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP、TDEM；

输出通道：6(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz)；

同步精度：优于10us；

输出信号参数：

MT：伪随机、频带：0.1mHz-1000Hz、幅度10mVp；

AMT：伪随机、频带：0.01Hz-100kHz、幅度10mVp；

CSAMT：方波、41频点、50min频率表循环、幅度10mVp；

SIP：方波、12频点、15min频率表循环、幅度10mVp；

TDIP：正停负停、脉宽2s、幅度10mVp、预设极化率5％；

TDEM：正停负停、脉宽2s、幅度1Vp

功耗：小于100mW(不含GPS模块)

主要接口：旋钮开关、磁道输出、电道输出、锂电池充电口、LED指示、GPS天线。

操作方法：将本发明用于多功能电磁法接收机测试用的信号模拟器置于有GPS信号的区域，输出端接入至多功能电磁接收机中，根据接收机测试需求选择不同的模式，信号模拟器自动输出对应的波形、LED指示工作状态。注：MT、AMT模式下无需GPS信号支持。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。