專利名稱：偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種信號發(fā)生裝置，具體是一種偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)。
背景技術(shù)：
在地球物理勘探領(lǐng)域，運(yùn)用電磁法進(jìn)行勘探時(shí)，需要專用的信號發(fā)生器。美國 ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32多功能電法接收機(jī)、加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法接收 機(jī)，一般使用雙邊型方波和一定占空比的方波作為發(fā)送信號。 由于方波帶寬有限，且發(fā)送頻率按指數(shù)倍增加，頻率分辨率不高。而偽隨機(jī)信號接 收機(jī)接收的信號除了各種占空比的方波外，還包括各種頻譜的偽隨機(jī)信號、用戶自定義波 形。波形的復(fù)雜度和帶寬也相應(yīng)提高。 現(xiàn)有的電法勘探信號發(fā)生器無法滿足偽隨機(jī)信號電磁勘探 的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服國外儀器的上述技術(shù)缺陷，提供一種僅需提供外部高 壓直流電源即可產(chǎn)生偽隨機(jī)信號的偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)，產(chǎn)生的信號精度高，時(shí)延少，且輸出 的偽隨機(jī)信號與GPS授時(shí)信號同步，進(jìn)一步提高了接受信號的精度。 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)包括機(jī)殼及位于 機(jī)殼內(nèi)部的CPU模塊、與CPU模塊雙向連接的CPLD模塊、接入CPLD模塊的GPS授時(shí)模塊和 通過A/D轉(zhuǎn)換模塊接入CPU模塊的電壓電流互感器，所述CPLD模塊通過IGBT驅(qū)動模塊接 入IGBT模塊。 其中CPLD模塊包括CPU總線擴(kuò)展電路和偽隨機(jī)波形生成單元；偽隨機(jī)波形生成單 元由程控分頻器、程控地址發(fā)生器電路、波形存儲芯片(即EPROM芯片)和死區(qū)延時(shí)電路構(gòu) 成；其中死區(qū)延時(shí)電路是由計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器組成的時(shí)序電路。 根據(jù)實(shí)施例的優(yōu)選方案，CPLD模塊連接有鍵盤電路、LCD顯示器以及串行通信端 口。 CPU通過總線直接與數(shù)據(jù)存儲器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片相連。所述IGBT模塊采用日本富士公 司生產(chǎn)的6MBP75RA12智能IGBT功率模塊。該模塊內(nèi)部含有六只功率MOS管，其中有四只 MOS管組成H橋式逆變電路，還有一只MOS管控制假負(fù)載通路。 本實(shí)用新型中的GPS授時(shí)模塊優(yōu)選采用工業(yè)級的商用GPS授時(shí)模塊成品，它提供 全球標(biāo)準(zhǔn)秒信號和與之同步的32Hz方波信號。GPS授時(shí)模塊通過接收GPS衛(wèi)星上的原子鐘
的授時(shí)信號來同步內(nèi)部高精度恒溫晶體振蕩器，并輸出標(biāo)準(zhǔn)的秒信號和與之同步的其它頻 率信號。由于各個(gè)GPS授時(shí)模塊都是接收同樣的GPS衛(wèi)星信號來工作的，所以它們都能夠 提供同樣精度的標(biāo)準(zhǔn)秒信號，誤差可達(dá)到10-9秒。因此當(dāng)偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)與偽隨機(jī)信號 接收機(jī)內(nèi)部都安裝有GPS授時(shí)模塊時(shí)，它們就相當(dāng)于在GPS衛(wèi)星發(fā)出的授時(shí)信號的指揮下 工作，就像在它們之間架設(shè)了一條同步電纜，可以同步偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)與偽隨機(jī)信號接 收機(jī)內(nèi)部電路的工作時(shí)序。這樣的同步工作機(jī)制對于提高信號的接收精度，減低干擾都大 有好處。[0010] GPS授時(shí)模塊產(chǎn)生的兩種頻率信號同時(shí)輸入LPLD模塊。讓32Hz方波信號作為驅(qū) 動CPLD產(chǎn)生偽隨機(jī)信號的時(shí)鐘信號。1Hz方波信號則輸入單片機(jī)的中斷引腳，作為偽隨機(jī) 信號同步輸出的控制信號。 所述CPLD為復(fù)雜可編程邏輯器件，其能將在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好的邏輯電路通過下 載的方式下載到芯片內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能。也可以通過重新下載來修改設(shè)計(jì)的 電路而不需要對真正的物理電路進(jìn)行修改。 本實(shí)用新型所述偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)僅需提供外部高壓直流電源即可產(chǎn)生偽隨機(jī) 信號的偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)，產(chǎn)生的信號精度高，時(shí)延少，且輸出的偽隨機(jī)信號與GPS授時(shí)信 號同步，進(jìn)一步提高了接受信號的精度。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
圖1是實(shí)施例所述偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中CPLD的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2中程控地址發(fā)生器的電路圖； 圖4是圖2中死區(qū)延時(shí)電路圖； 圖5是圖1中IGBT驅(qū)動模塊電路圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，一種偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)包括機(jī)殼及位于機(jī)殼內(nèi)部的微機(jī)板、GPS授時(shí) 模塊、IGBT驅(qū)動模塊及IGBT模塊、LCD顯示屏及鍵盤、電源等組成。微機(jī)板上安裝有CPU模 塊、與CPU模塊雙向連接的CPLD模塊、接入CPLD模塊的GPS授時(shí)模塊和通過A/D轉(zhuǎn)換模塊 接入CPU模塊的電壓電流互感器，所述CPLD模塊通過IGBT驅(qū)動模塊接入IGBT功率模塊。 所述CPLD模塊包括CPU總線擴(kuò)展電路和偽隨機(jī)波形生成單元。 如圖2所示，所述CPU總線擴(kuò)展電路包括總線選擇模塊、串行通信選擇模塊和端口 擴(kuò)展模塊，偽隨機(jī)波形生成單元包括與GPS授時(shí)模塊連接的程控分頻器、所述程控分頻器 依次通過與端口擴(kuò)展模塊連接的程控地址發(fā)生器、波形存儲芯片(即EPR0M芯片)、死區(qū)延 時(shí)電路，接入信號輸出鎖定保護(hù)電路，最后輸出信號，該程控分頻器上還連接有同步控制電 路。 其中CPU是模塊整臺儀器的控制核心；CPU模塊通過總線直接與數(shù)據(jù)存儲器和實(shí) 時(shí)時(shí)鐘芯片相連，可以直接讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)和將儀器工作時(shí)的電流數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)存儲 器芯片。CPU還直接與CPLD模塊相連，控制產(chǎn)生的波形和輸出的頻率。A/D轉(zhuǎn)換器在CPU 的控制下采集儀器工作時(shí)的電壓和電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到CPU待處理。 CPLD模塊負(fù)責(zé)CPU的端口擴(kuò)展和波形發(fā)生。所以鍵盤電路和LCD顯示器以及串行 通信端口都通過CPLD擴(kuò)展的端口與CPU進(jìn)行連接。偽隨機(jī)波形發(fā)生單元是CPLD的核心功 能，他不僅要能夠產(chǎn)生各種頻譜的偽隨機(jī)波形，還要進(jìn)行同步控制，使得輸出的偽隨機(jī)波形 是與GPS秒信號是同步的。 CPLD產(chǎn)生的信號提供給IGBT驅(qū)動模塊。經(jīng)過IGBT驅(qū)動模塊對信號隔離和整形放 大后驅(qū)動智能IGBT功率模塊。[0024] CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體說明如下首先是提供了 CPU總線擴(kuò)展。其次他要對輸入的GPS 標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行各種分頻和頻率選擇。經(jīng)過選頻的方波信號送入偽隨機(jī)波形生成單元就輸出 了與GPS秒信號同步的偽隨機(jī)信號了。為了驅(qū)動實(shí)際的IGBT電路還需要將偽隨機(jī)信號先 送入死區(qū)延時(shí)電路。這樣就生成了一對包含死區(qū)間隔且相位差180度的偽隨機(jī)驅(qū)動信號。 在輸出信號的同時(shí)還必須提供硬件過流保護(hù)，在輸出電流過大的時(shí)候由硬件自動停止波形 的發(fā)生，保護(hù)儀器和操作人員的安全。本實(shí)施例所述偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)的邏輯功能就是對 CPLD芯片進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)的。 CPLD內(nèi)部構(gòu)成的程控地址發(fā)生器電路直接連接到位于微機(jī)板上的波形存儲芯片 即EPROM存儲芯片。由程控分頻器、程控地址發(fā)生器、EPROM波形存儲芯片、死區(qū)延時(shí)電路 組成了偽隨機(jī)波形發(fā)生模塊。由于偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)可以產(chǎn)生多種頻譜的信號，所以將這 些信號的波形通過波形存儲電路按照不同的種類存儲在存儲器的不同地址段中，采用查表 的方式來輸出信號。再通過如圖3所示的程控地址發(fā)生器電路來產(chǎn)生查詢不同地址段波形 數(shù)據(jù)的查詢地址。單片機(jī)輸出要發(fā)送該種頻譜的信號的指令，由譯碼電路轉(zhuǎn)換出該頻譜在 存儲器中的那一段，并輸出可以查詢該段的地址，這樣就能夠讀出該段內(nèi)存儲的波形了。 微機(jī)板上的主控芯片78E516單片機(jī)根據(jù)從GPS授時(shí)模塊輸入的全球標(biāo)準(zhǔn)1Hz的 秒信號，以每天的O時(shí)O分O秒作為起始點(diǎn)，以發(fā)送的偽隨機(jī)信號中包含的最低頻率的周期 作為間隔，經(jīng)過計(jì)算后找出每一個(gè)同步時(shí)刻，來控制偽隨機(jī)信號的同步發(fā)生，也就是同步標(biāo) 準(zhǔn)。在偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)停止輸出時(shí)，單片機(jī)輸出鎖定信號，使得偽隨機(jī)信號發(fā)生器電路停 止工作，并且電路復(fù)位歸零。當(dāng)需要進(jìn)入工作時(shí)，單片機(jī)會先計(jì)算出最臨近同步時(shí)刻，并且 在那一時(shí)刻使偽隨機(jī)信號發(fā)生電路立即工作，輸出波形。這樣就實(shí)現(xiàn)了信號的同步輸出。偽 隨機(jī)信號接收機(jī)內(nèi)部也是相類似的同步算法。 經(jīng)過CPLD芯片內(nèi)部的死區(qū)延時(shí)電路后，輸出一對相反的且含有死區(qū)間隔時(shí)間的 偽隨機(jī)多頻信號。這一對信號不是完全相反的，他們相互變化時(shí)會有25微秒的時(shí)間同時(shí)為 低電平，這樣就可以保證IGBT模塊的上下MOS管不會同時(shí)通導(dǎo)，從而導(dǎo)致電源短路。 如圖4所示，所述的死區(qū)延時(shí)電路是由計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器組成的時(shí)序電路。兩個(gè)觸 發(fā)器組成互鎖的控制電路，它可以保證輸入在任一時(shí)刻，輸出都只有一路為高電平。當(dāng)死區(qū) 延時(shí)電路的輸入狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候，觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)需要等待計(jì)數(shù)器電路的計(jì)數(shù)值達(dá)到， 輸出端的狀態(tài)才會發(fā)生改變，并且兩個(gè)觸發(fā)器的輸出端是互相鎖定對方的計(jì)數(shù)器的，所以 在觸發(fā)器輸出狀態(tài)發(fā)生改變只后才會啟動計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)延時(shí)。計(jì)數(shù)器電路由2片4位計(jì)數(shù)器 芯片串聯(lián)組成，計(jì)數(shù)值最大設(shè)定在256，也可以根據(jù)需要改小。計(jì)數(shù)值越大，產(chǎn)生的死區(qū)延 時(shí)也越大。計(jì)數(shù)器對外部有源晶體震蕩器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。外部有源晶體振蕩器的頻 率為lOMHz，因此死區(qū)延時(shí)值的大小為1/10MHzX256 = 25. 6uS。由于是對晶體頻率進(jìn)行計(jì) 數(shù)，因此延時(shí)值是穩(wěn)定可靠的。死區(qū)延時(shí)值可以在0 25. 6uS之間精確調(diào)整。 如圖5所示，所述IGBT驅(qū)動模塊提供IGBT模塊驅(qū)動隔離電源，以及對來自偽隨機(jī) 波形生成模塊的驅(qū)動信號進(jìn)行光耦隔離。電源隔離采用了隔離型的DCDC電源模塊，將12V 的電池提供的電源轉(zhuǎn)化為IGBT模塊需要的15V驅(qū)動電源。信號的光電耦合使用了 6N137 高速光電耦合芯片。通過電源和信號的隔離，使得高壓電路和低壓控制電路完全在電路上 分開了，保證了使用的安全和對高壓強(qiáng)電端干擾的阻斷。 IGBT模塊采用日本富士公司生產(chǎn)的6MBP75RA12智能IGBT功率模塊。該模塊的最大工作電流為75安培，耐壓為1200伏特。為了安全穩(wěn)定工作，本實(shí)用新型將工作點(diǎn)設(shè)定 在20安培800伏特。該模塊內(nèi)部含有6只功率mos管，其中的四只mos管組成H橋式逆變 電路，將輸入的直流高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯膫坞S機(jī)高壓信號輸出。剩余的兩只功率管的一只用 于控制假負(fù)載。當(dāng)偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)輸出的是間隔型的波形時(shí)，輸入的直流高壓電流也會 隨間隔著波形做劇烈的波動。特別是當(dāng)直流高壓電源的提供者是小型發(fā)電機(jī)時(shí)，由于電流 的劇烈波動會引起發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定。為了平衡發(fā)送機(jī)輸出間隔信號時(shí)輸入電流的不穩(wěn) 定，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一個(gè)假負(fù)載的通路。當(dāng)輸出信號為零時(shí)，為了平衡輸入電流，將輸入 電流導(dǎo)入到一個(gè)假負(fù)載消耗掉，這樣輸入電流就不會劇烈的變化了。從而保證了發(fā)電機(jī)系 統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 系統(tǒng)在工作的時(shí)候需要由外部提供的大功率高壓直流電源。該電源可以以電池組
的方式提供，但是考慮到電池組提供的功率較小，且不太經(jīng)濟(jì)，通常是用發(fā)電機(jī)加整流器的
方式來提供這個(gè)電源。這種方式提供的功率較大，且提供電能持續(xù)時(shí)間較長。 整流器就是全波二極管橋堆和濾波電容器組構(gòu)成，經(jīng)過器件耐壓選擇，使其可以
工作在輸出直流800V，電流20A的環(huán)境下，并且輸出直流的紋波電壓小于2%。 為了使紋波更小，且效率更高，通常會使用三相交流發(fā)電機(jī)。使用400Hz的三
相交流發(fā)電機(jī)比使用50Hz的三相交流發(fā)電機(jī)輸出紋波更小，且整流效率更高。在使用
50Hz380V20Kw三相交流發(fā)電機(jī)的情況下，可以提供給偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)530V 20A的直流
電。整流器和三相發(fā)電機(jī)屬于用戶自行配備的設(shè)備。 同步的作用是為了接收信號時(shí)提高接收信號的精度。采用高精度授時(shí)GPS提供的 秒信號來同步發(fā)送機(jī)的信號發(fā)送和接收機(jī)的信號接收也是本實(shí)用新型獨(dú)特新穎的地方。這 種同步方式是采用接收衛(wèi)星信號來同步遠(yuǎn)距離多臺儀器，實(shí)現(xiàn)了無線同步。極大的方便了 野外施工人員的操作，并且可以實(shí)現(xiàn)信號的高精度的信號接收。 經(jīng)過以上技術(shù)的有效組合使得所述偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)只需外部提供高壓直流電 源，即可輸出與GPS授時(shí)信號波形同步的雙邊偽隨機(jī)信號。輸出信號的電壓約等于外部輸 入的直流高壓，最大不超過800V。輸出信號的電流受負(fù)載阻抗和輸入直流高壓的控制，最大 不超過20安培。該實(shí)用新型主要應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域，為電磁法地球物理勘探提供了 一個(gè)高精度的、方便使用的偽隨機(jī)信號源。
權(quán)利要求一種偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，其特征是包括機(jī)殼及位于機(jī)殼內(nèi)部的CPU模塊、與CPU模塊雙向連接的CPLD模塊、接入CPLD模塊的GPS授時(shí)模塊和通過A/D轉(zhuǎn)換模塊接入CPU模塊的電壓電流互感器，所述CPLD模塊通過IGBT驅(qū)動模塊接入IGBT模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，其特征是所述CPLD模塊包括CPU總線擴(kuò) 展電路和偽隨機(jī)波形生成單元；偽隨機(jī)波形生成單元由程控分頻器、程控地址發(fā)生器電路、 波形存儲芯片和死區(qū)延時(shí)電路構(gòu)成；其中死區(qū)延時(shí)電路是由計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器組成的時(shí)序電 路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，其特征是所述CPLD模塊連接有鍵盤電 路、LCD顯示器以及串行通信端口 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，其特征是所述CPU模塊通過總線直接 與數(shù)據(jù)存儲器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，其特征是所述IGBT模塊采用日本富士 公司生產(chǎn)的6MBP75RA12智能IGBT功率模塊，該模塊內(nèi)部含有六只功率MOS管，其中有四只 MOS管組成H橋式逆變電路，還有一只MOS管連接假負(fù)載通路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種偽隨機(jī)信號發(fā)送機(jī)，包括機(jī)殼及位于機(jī)殼內(nèi)部的CPU模塊、與CPU模塊雙向連接的CPLD模塊、接入CPLD模塊的GPS授時(shí)模塊和通過A/D轉(zhuǎn)換模塊接入CPU模塊的電壓電流互感器，所述CPLD模塊通過IGBT驅(qū)動模塊接入IGBT功率模塊。所述偽隨機(jī)信息發(fā)送機(jī)僅需提供外部高壓直流電源即可產(chǎn)生偽隨機(jī)信號的偽隨機(jī)信號發(fā)生機(jī)，產(chǎn)生的信號精度高，時(shí)延少，且輸出的偽隨機(jī)信號與GPS授時(shí)信號同步，進(jìn)一步提高了接受信號的精度。
文檔編號G01V3/12GK201548703SQ20092025915
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者付國紅, 何繼善, 唐長軍, 賓亞新, 曾智力, 李祥, 楊振, 涂惠, 蔣奇云, 顏俊 申請人:湖南繼善高科技有限公司