专利名称：伪随机信号发送机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种信号发生装置，具体是一种伪随机信号发送机。
背景技术：
在地球物理勘探领域，运用电磁法进行勘探时，需要专用的信号发生器。美国 ZONGE公司生产的GDP-32多功能电法接收机、加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法接收 机，一般使用双边型方波和一定占空比的方波作为发送信号。 由于方波带宽有限，且发送频率按指数倍增加，频率分辨率不高。而伪随机信号接 收机接收的信号除了各种占空比的方波外，还包括各种频谱的伪随机信号、用户自定义波 形。波形的复杂度和带宽也相应提高。 现有的电法勘探信号发生器无法满足伪随机信号电磁勘探 的要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服国外仪器的上述技术缺陷，提供一种仅需提供外部高 压直流电源即可产生伪随机信号的伪随机信号发生机，产生的信号精度高，时延少，且输出 的伪随机信号与GPS授时信号同步，进一步提高了接受信号的精度。 本实用新型是通过以下技术方案实现的，一种伪随机信号发送机包括机壳及位于 机壳内部的CPU模块、与CPU模块双向连接的CPLD模块、接入CPLD模块的GPS授时模块和 通过A/D转换模块接入CPU模块的电压电流互感器，所述CPLD模块通过IGBT驱动模块接 入IGBT模块。 其中CPLD模块包括CPU总线扩展电路和伪随机波形生成单元；伪随机波形生成单 元由程控分频器、程控地址发生器电路、波形存储芯片(即EPROM芯片)和死区延时电路构 成；其中死区延时电路是由计数器和触发器组成的时序电路。 根据实施例的优选方案，CPLD模块连接有键盘电路、LCD显示器以及串行通信端 口。 CPU通过总线直接与数据存储器和实时时钟芯片相连。所述IGBT模块采用日本富士公 司生产的6MBP75RA12智能IGBT功率模块。该模块内部含有六只功率MOS管，其中有四只 MOS管组成H桥式逆变电路，还有一只MOS管控制假负载通路。 本实用新型中的GPS授时模块优选采用工业级的商用GPS授时模块成品，它提供 全球标准秒信号和与之同步的32Hz方波信号。GPS授时模块通过接收GPS卫星上的原子钟
的授时信号来同步内部高精度恒温晶体振荡器，并输出标准的秒信号和与之同步的其它频 率信号。由于各个GPS授时模块都是接收同样的GPS卫星信号来工作的，所以它们都能够 提供同样精度的标准秒信号，误差可达到10-9秒。因此当伪随机信号发送机与伪随机信号 接收机内部都安装有GPS授时模块时，它们就相当于在GPS卫星发出的授时信号的指挥下 工作，就像在它们之间架设了一条同步电缆，可以同步伪随机信号发送机与伪随机信号接 收机内部电路的工作时序。这样的同步工作机制对于提高信号的接收精度，减低干扰都大 有好处。[0010] GPS授时模块产生的两种频率信号同时输入LPLD模块。让32Hz方波信号作为驱 动CPLD产生伪随机信号的时钟信号。1Hz方波信号则输入单片机的中断引脚，作为伪随机 信号同步输出的控制信号。 所述CPLD为复杂可编程逻辑器件，其能将在计算机上设计好的逻辑电路通过下 载的方式下载到芯片内部，从而实现相应的逻辑功能。也可以通过重新下载来修改设计的 电路而不需要对真正的物理电路进行修改。 本实用新型所述伪随机信号发生机仅需提供外部高压直流电源即可产生伪随机 信号的伪随机信号发生机，产生的信号精度高，时延少，且输出的伪随机信号与GPS授时信 号同步，进一步提高了接受信号的精度。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。
图1是实施例所述伪随机信号发送机的结构示意图； 图2是图1中CPLD的结构示意图； 图3是图2中程控地址发生器的电路图； 图4是图2中死区延时电路图； 图5是图1中IGBT驱动模块电路图。
具体实施方式如图1所示，一种伪随机信号发送机包括机壳及位于机壳内部的微机板、GPS授时 模块、IGBT驱动模块及IGBT模块、LCD显示屏及键盘、电源等组成。微机板上安装有CPU模 块、与CPU模块双向连接的CPLD模块、接入CPLD模块的GPS授时模块和通过A/D转换模块 接入CPU模块的电压电流互感器，所述CPLD模块通过IGBT驱动模块接入IGBT功率模块。 所述CPLD模块包括CPU总线扩展电路和伪随机波形生成单元。 如图2所示，所述CPU总线扩展电路包括总线选择模块、串行通信选择模块和端口 扩展模块，伪随机波形生成单元包括与GPS授时模块连接的程控分频器、所述程控分频器 依次通过与端口扩展模块连接的程控地址发生器、波形存储芯片(即EPR0M芯片)、死区延 时电路，接入信号输出锁定保护电路，最后输出信号，该程控分频器上还连接有同步控制电 路。 其中CPU是模块整台仪器的控制核心；CPU模块通过总线直接与数据存储器和实 时时钟芯片相连，可以直接读取实时时钟数据和将仪器工作时的电流数据保存到数据存储 器芯片。CPU还直接与CPLD模块相连，控制产生的波形和输出的频率。A/D转换器在CPU 的控制下采集仪器工作时的电压和电流数据，并将数据传送到CPU待处理。 CPLD模块负责CPU的端口扩展和波形发生。所以键盘电路和LCD显示器以及串行 通信端口都通过CPLD扩展的端口与CPU进行连接。伪随机波形发生单元是CPLD的核心功 能，他不仅要能够产生各种频谱的伪随机波形，还要进行同步控制，使得输出的伪随机波形 是与GPS秒信号是同步的。 CPLD产生的信号提供给IGBT驱动模块。经过IGBT驱动模块对信号隔离和整形放 大后驱动智能IGBT功率模块。[0024] CPLD内部结构具体说明如下首先是提供了 CPU总线扩展。其次他要对输入的GPS 标准频率进行各种分频和频率选择。经过选频的方波信号送入伪随机波形生成单元就输出 了与GPS秒信号同步的伪随机信号了。为了驱动实际的IGBT电路还需要将伪随机信号先 送入死区延时电路。这样就生成了一对包含死区间隔且相位差180度的伪随机驱动信号。 在输出信号的同时还必须提供硬件过流保护，在输出电流过大的时候由硬件自动停止波形 的发生，保护仪器和操作人员的安全。本实施例所述伪随机信号发生机的逻辑功能就是对 CPLD芯片进行编程来实现的。 CPLD内部构成的程控地址发生器电路直接连接到位于微机板上的波形存储芯片 即EPROM存储芯片。由程控分频器、程控地址发生器、EPROM波形存储芯片、死区延时电路 组成了伪随机波形发生模块。由于伪随机信号发送机可以产生多种频谱的信号，所以将这 些信号的波形通过波形存储电路按照不同的种类存储在存储器的不同地址段中，采用查表 的方式来输出信号。再通过如图3所示的程控地址发生器电路来产生查询不同地址段波形 数据的查询地址。单片机输出要发送该种频谱的信号的指令，由译码电路转换出该频谱在 存储器中的那一段，并输出可以查询该段的地址，这样就能够读出该段内存储的波形了。 微机板上的主控芯片78E516单片机根据从GPS授时模块输入的全球标准1Hz的 秒信号，以每天的O时O分O秒作为起始点，以发送的伪随机信号中包含的最低频率的周期 作为间隔，经过计算后找出每一个同步时刻，来控制伪随机信号的同步发生，也就是同步标 准。在伪随机信号发送机停止输出时，单片机输出锁定信号，使得伪随机信号发生器电路停 止工作，并且电路复位归零。当需要进入工作时，单片机会先计算出最临近同步时刻，并且 在那一时刻使伪随机信号发生电路立即工作，输出波形。这样就实现了信号的同步输出。伪 随机信号接收机内部也是相类似的同步算法。 经过CPLD芯片内部的死区延时电路后，输出一对相反的且含有死区间隔时间的 伪随机多频信号。这一对信号不是完全相反的，他们相互变化时会有25微秒的时间同时为 低电平，这样就可以保证IGBT模块的上下MOS管不会同时通导，从而导致电源短路。 如图4所示，所述的死区延时电路是由计数器和触发器组成的时序电路。两个触 发器组成互锁的控制电路，它可以保证输入在任一时刻，输出都只有一路为高电平。当死区 延时电路的输入状态发生改变的时候，触发器的翻转需要等待计数器电路的计数值达到， 输出端的状态才会发生改变，并且两个触发器的输出端是互相锁定对方的计数器的，所以 在触发器输出状态发生改变只后才会启动计数器计数延时。计数器电路由2片4位计数器 芯片串联组成，计数值最大设定在256，也可以根据需要改小。计数值越大，产生的死区延 时也越大。计数器对外部有源晶体震荡器产生的频率进行计数。外部有源晶体振荡器的频 率为lOMHz，因此死区延时值的大小为1/10MHzX256 = 25. 6uS。由于是对晶体频率进行计 数，因此延时值是稳定可靠的。死区延时值可以在0 25. 6uS之间精确调整。 如图5所示，所述IGBT驱动模块提供IGBT模块驱动隔离电源，以及对来自伪随机 波形生成模块的驱动信号进行光耦隔离。电源隔离采用了隔离型的DCDC电源模块，将12V 的电池提供的电源转化为IGBT模块需要的15V驱动电源。信号的光电耦合使用了 6N137 高速光电耦合芯片。通过电源和信号的隔离，使得高压电路和低压控制电路完全在电路上 分开了，保证了使用的安全和对高压强电端干扰的阻断。 IGBT模块采用日本富士公司生产的6MBP75RA12智能IGBT功率模块。该模块的最大工作电流为75安培，耐压为1200伏特。为了安全稳定工作，本实用新型将工作点设定 在20安培800伏特。该模块内部含有6只功率mos管，其中的四只mos管组成H桥式逆变 电路，将输入的直流高压转变为交流的伪随机高压信号输出。剩余的两只功率管的一只用 于控制假负载。当伪随机信号发送机输出的是间隔型的波形时，输入的直流高压电流也会 随间隔着波形做剧烈的波动。特别是当直流高压电源的提供者是小型发电机时，由于电流 的剧烈波动会引起发电机运转的不稳定。为了平衡发送机输出间隔信号时输入电流的不稳 定，本实用新型设计了一个假负载的通路。当输出信号为零时，为了平衡输入电流，将输入 电流导入到一个假负载消耗掉，这样输入电流就不会剧烈的变化了。从而保证了发电机系 统的运转平稳。 系统在工作的时候需要由外部提供的大功率高压直流电源。该电源可以以电池组
的方式提供，但是考虑到电池组提供的功率较小，且不太经济，通常是用发电机加整流器的
方式来提供这个电源。这种方式提供的功率较大，且提供电能持续时间较长。 整流器就是全波二极管桥堆和滤波电容器组构成，经过器件耐压选择，使其可以
工作在输出直流800V，电流20A的环境下，并且输出直流的纹波电压小于2%。 为了使纹波更小，且效率更高，通常会使用三相交流发电机。使用400Hz的三
相交流发电机比使用50Hz的三相交流发电机输出纹波更小，且整流效率更高。在使用
50Hz380V20Kw三相交流发电机的情况下，可以提供给伪随机信号发送机530V 20A的直流
电。整流器和三相发电机属于用户自行配备的设备。 同步的作用是为了接收信号时提高接收信号的精度。采用高精度授时GPS提供的 秒信号来同步发送机的信号发送和接收机的信号接收也是本实用新型独特新颖的地方。这 种同步方式是采用接收卫星信号来同步远距离多台仪器，实现了无线同步。极大的方便了 野外施工人员的操作，并且可以实现信号的高精度的信号接收。 经过以上技术的有效组合使得所述伪随机信号发生机只需外部提供高压直流电 源，即可输出与GPS授时信号波形同步的双边伪随机信号。输出信号的电压约等于外部输 入的直流高压，最大不超过800V。输出信号的电流受负载阻抗和输入直流高压的控制，最大 不超过20安培。该实用新型主要应用于地球物理勘探领域，为电磁法地球物理勘探提供了 一个高精度的、方便使用的伪随机信号源。
权利要求一种伪随机信号发送机，其特征是包括机壳及位于机壳内部的CPU模块、与CPU模块双向连接的CPLD模块、接入CPLD模块的GPS授时模块和通过A/D转换模块接入CPU模块的电压电流互感器，所述CPLD模块通过IGBT驱动模块接入IGBT模块。
2. 根据权利要求1所述伪随机信号发送机，其特征是所述CPLD模块包括CPU总线扩 展电路和伪随机波形生成单元；伪随机波形生成单元由程控分频器、程控地址发生器电路、 波形存储芯片和死区延时电路构成；其中死区延时电路是由计数器和触发器组成的时序电 路。
3. 根据权利要求1或2所述伪随机信号发送机，其特征是所述CPLD模块连接有键盘电 路、LCD显示器以及串行通信端口 。
4. 根据权利要求1或2所述伪随机信号发送机，其特征是所述CPU模块通过总线直接 与数据存储器和实时时钟芯片相连。
5. 根据权利要求1或2所述伪随机信号发送机，其特征是所述IGBT模块采用日本富士 公司生产的6MBP75RA12智能IGBT功率模块，该模块内部含有六只功率MOS管，其中有四只 MOS管组成H桥式逆变电路，还有一只MOS管连接假负载通路。
专利摘要本实用新型公开了一种伪随机信号发送机，包括机壳及位于机壳内部的CPU模块、与CPU模块双向连接的CPLD模块、接入CPLD模块的GPS授时模块和通过A/D转换模块接入CPU模块的电压电流互感器，所述CPLD模块通过IGBT驱动模块接入IGBT功率模块。所述伪随机信息发送机仅需提供外部高压直流电源即可产生伪随机信号的伪随机信号发生机，产生的信号精度高，时延少，且输出的伪随机信号与GPS授时信号同步，进一步提高了接受信号的精度。
文档编号G01V3/12GK201548703SQ20092025915
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者付国红, 何继善, 唐长军, 宾亚新, 曾智力, 李祥, 杨振, 涂惠, 蒋奇云, 颜俊 申请人:湖南继善高科技有限公司