一种便携式的频域电磁探测发射电路及设计方法

本发明涉及频域电磁探测，特别是涉及一种便携式的频域电磁探测发射电路及设计方法。

背景技术：

1、频率域电磁法是由发射装置向大地或管线发射连续的正弦波电磁场，其工作频率一般低于106hz，使导电性好的地下管线以直接(或感应)耦合的方式带“电”，接收装置探测流经管线中的电流(又称涡流)所产生的磁场。通过观测磁场的变化规律确定探测物位置的地球物理方法。其具有大透距，大深探测深度的特点，因而广泛应用于工程环境物探，矿产勘察，石油勘探等领域。

2、现阶段的频域电磁探测发射信号源的设计多为使用信号发生器连接功率放大器将信号通过发射电缆送至负载圈端，这种发射方式相当于交流供电，会有较大的能量损耗在电缆之上，而且很难做到大幅度的电压信号发射。

3、为了克服此类问题，行业工作者通过使用传统桥式逆变电路来解决此类问题，如图1所示，通过搭建模拟电路和数字电路，通过开关功率器件，如通过igbt或者mosfet功率管搭建桥式逆变器的来实现波形的产生；这种方式为直流供电，降低了电缆中的电能损耗。但是这种基于单管功率器件的发射电路需要额外设计器件专用的驱动电路和桥式电路，pcb板的数量较多，调试过程较为复杂，且使用过程中的出现的硬件问题难以排查。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种便携式的频域电磁探测发射电路及设计方法，解决了目前传统频域电磁探测发射电路尺寸大，难以携带和交流电在电缆传输中损耗较大的问题。

2、本发明的技术方案是：一种便携式的频域电磁探测发射电路，包括fpga控制模块和电源智能功率模块，

3、所述fpga控制模块，用于接收外部通信指令、存储调制信号值、产生载波信号、计算生成脉冲序列、为线圈负载提供正向或者负向的电压以及产生双极性spwm信号来控制ipm进行正弦脉宽调制；

4、所述电源智能功率模块，用于提供fpga控制模块和自身所需的工作电压，并用于接收fpga控制模块输出的控制信号将直流电通过spwm方式转换为所需的特定频率和幅值的正弦信号，并用于发送至线圈负载两端通过线圈进行辐射。

5、在进一步的技术方案中，所述电源智能功率模块，包含两个dc\dc模块及其滤波电路，分别能够将直流供电电压转换为12v和15v两个直流电压，分别使fpga控制模块及ipm芯片在系统上电后，能够进入工作状态；所述电源智能功率模块还包含两个半桥式ipm芯片及其钳位电路，利用fpga产生的控制时序以驱动内部的mos管开断以将直流电压信号转为为正弦交流信号进行输出。

6、在进一步的技术方案中，所述fpga控制模块包含fpga工作单元和内部集成的rtl系统。

7、在进一步的技术方案中，所述rtl系统包括uart/can串口接收模块、正弦调制信号产生模块、三角载波信号产生模块、spwm脉冲信号产生模块、死区产生模块和钳位充电模块，

8、uart/can串口接收模块用于接收通信指令；

9、正弦调制信号产生模块，用于读取rom存储的信号值；

10、三角载波信号产生模块，用于产生高频载波信号；

11、spwm脉冲信号产生模块，用于比较正弦调制信号和三角载波信号以产生spwm脉冲；

12、死区产生模块，用于在spwm脉冲信号中产生死区，以保护电路，防止电路短路；

13、钳位充电模块，用于上电后使钳位电容充电至工作电压并进入工作状态。

14、在进一步的技术方案中，所述电源智能功率模块包括桥式逆变控制器，所述桥式逆变控制器包含s1、s2、s3和s4四个mosfet；

15、其中，vcc的正极分别与s1和s3的漏极相连，作为直流供电的输出正极，vcc的负极分别与s2和s4的源极相连，作为直流供电的输出负极；

16、s1的源极与s2的漏极相连，作为线圈负载输入电压正极，s3的源极与s4的漏极相连，作为线圈负载输入电压负极；

17、s1和s4的控制信号为相同信号，且其与s2和s3的控制信号相同，且为s1和s4的互补信号，该控制信号即产生双极性波形；

18、当s1和s4导通，且s2和s3关断时，此时负载两端电压为+vcc；当s2和s3导通，且s1和s4关断时，此时负载两端电压为-vcc，通过产生正负电压脉冲和解析发送信号即可向负载线圈特定频率和幅值的正弦电压信号，以使用线圈负载辐射电磁信号。

19、为了解决上述技术问题，提供一种便携式的频域电磁探测发射电路的设计方法，该设计方法使用spwm的输出方式，可编程逻辑门阵列对晶体管开断进行控制，借助uart串口通信协议，并通过发送信号实时调节调制信号的频率和大小以影响脉宽调制信号的占空比，从而调整发射电路输出信号波形的幅值大小和频率大小，以适用于不同地方的探测；

20、具体的是：所述便携式的频域电磁探测发射电路包括fpga控制模块和电源智能功率模块，所述fpga控制模块，用于接收外部通信指令、存储调制信号值、产生载波信号、计算生成脉冲序列、为线圈负载提供正向或者负向的电压以及产生双极性spwm信号来控制ipm进行正弦脉宽调制；所述电源智能功率模块，用于提供fpga控制模块和自身所需的工作电压，并用于接收fpga控制模块输出的控制信号将直流电通过spwm方式转换为所需的特定频率和幅值的正弦信号，并用于发送至线圈负载两端通过线圈进行辐射；所述电源智能功率模块，包含两个dc\dc模块及其滤波电路，分别能够将直流供电电压转换为12v和15v两个直流电压，分别使fpga控制模块及ipm芯片在系统上电后，能够进入工作状态；所述电源智能功率模块还包含两个半桥式ipm芯片及其钳位电路，利用fpga产生的控制时序以驱动内部的mos管开断以将直流电压信号转为为正弦交流信号进行输出；所述fpga控制模块包含fpga工作单元和内部集成的rtl系统；所述rtl系统包括uart/can串口接收模块、正弦调制信号产生模块、三角载波信号产生模块、spwm脉冲信号产生模块、死区产生模块和钳位充电模块，uart/can串口接收模块用于接收通信指令；正弦调制信号产生模块，用于读取rom存储的信号值；三角载波信号产生模块，用于产生高频载波信号；spwm脉冲信号产生模块，用于比较正弦调制信号和三角载波信号以产生spwm脉冲；死区产生模块，用于在spwm脉冲信号中产生死区，以保护电路，防止电路短路；钳位充电模块，用于上电后使钳位电容充电至工作电压并进入工作状态；所述电源智能功率模块包括桥式逆变控制器，所述桥式逆变控制器包含s1、s2、s3和s4四个mosfet；

21、其中，vcc的正极分别与s1和s3的漏极相连，作为直流供电的输出正极，vcc的负极分别与s2和s4的源极相连，作为直流供电的输出负极；

22、s1的源极与s2的漏极相连，作为线圈负载输入电压正极，s3的源极与s4的漏极相连，作为线圈负载输入电压负极；

23、s1和s4的控制信号为相同信号，且其与s2和s3的控制信号相同，且为s1和s4的互补信号，该控制信号即产生双极性波形；

24、当s1和s4导通，且s2和s3关断时，此时负载两端电压为+vcc；当s2和s3导通，且s1和s4关断时，此时负载两端电压为-vcc，通过产生正负电压脉冲和解析发送信号即可向负载线圈特定频率和幅值的正弦电压信号，以使用线圈负载辐射电磁信号。

25、本发明的有益效果是：

26、1、将智能功率模块(ipm)去替代作频域电磁发射电路的功率器件，减小发射电路的面积，使发射电路更具便携性；

27、2、使用直流供电的方式而非交流供电的方式，将直流电于通过spwm方式转换为交流电，以克服交流电在电缆中的传输损耗；

28、3、由于采用数字控制方式而非直接由模拟电路搭建，对于波形的辐射相位能够更加精确，也能够生成死区时间，对开关器件产生更好的保护；

29、4、设计了通信协议与外部进行通信，以此来调节spwm信号的占空比以改变发射波形的幅值和大小，可以对发射信号实现了实时和灵活的控制。

30、5、使用spwm的输出方式，可编程逻辑门阵列对晶体管开断进行控制，借助uart串口通信协议，并通过发送信号实时调节调制信号的频率和大小以影响脉宽调制信号的占空比，从而调整发射电路输出信号波形的幅值大小和频率大小，可用于巷道、隧道探测。