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

背景技術：

電磁法(或叫電磁感應法)是電法勘探的重要分支。該方法主要利用巖礦石的導電性、導磁性和介電性的差異，應用電磁感應原理，觀測和研究人工或天然形成的電磁場的分布規律(頻率特性和時間特性)，進而解決有關的各類地質問題。

電磁法是利用人工源或天然場源的電磁波進行工程礦產勘探的一種方法，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開發以及使用過程中，室內及野外自檢測試是必經環節，多功能電磁接收機可以實現MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP和TDEM等方法的野外測量。

MT方法要求發生兩路獨立的白噪聲，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行掃頻輸出，對輸出波形具有較高的時間精度，發射41組頻率，頻率覆蓋范圍0.1Hz-10kHz，循環掃頻持續時間50min；SIP方法與CSAMT方法類似，循環發送12個頻點，頻率范圍1/64Hz-128Hz，循環掃頻持續時間15min；TDIP方法要求輸出正停負停信號，脈寬2s，占空比1:1，默認極化率5％，幅值為10mVp；TDEM方法類似TDIP信號，對關斷時間要求較高，幅值為1Vp。

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

現有的白噪聲信號發生器帶寬有限，不能滿足寬頻MT測量要求。為開展接收機的室內及野外的一致性測試，需要單獨開發與之對應的多功能信號模擬器。

技術實現要素：

為了克服現有通用函數信號發生器的不足,本發明提出一種用于多功能電磁法接收機測試用的信號模擬器，該模擬器可以進行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP與TDEM 6種制式信號輸出，具有多功能、自動循環掃頻、高精度時間同步、便攜、低功耗和簡單易用的優點，為多功能電磁接收機的室內及野外現場自檢測試提供方案。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明一種用于多功能電磁法接收機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、旋轉開關、數字補償晶振MCXO、現場可編程門陣列FPGA、斬波電路、整形電路、選通開關、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，FPGA連接MCXO、斬波電路、整形電路及選通開關，斬波電路和整形電路分別連接選通開關，通過選通開關進行電路信號輸出。

GPS為電路提供時間信息及PPS秒脈沖；MCU識別旋鈕開關輸入的模式選擇，根據模式選擇與FPGA配合產生響應的時鐘信號；FPGA在MCU的控制下進行時鐘信號分頻、頻率合成、PPS觸發；MCXO為FPGA提供系統時鐘；斬波電路將FPGA時鐘信號轉換為正負方波，為MT、AMT、SIP或CSAMT準備，并根據方法要求進行幅度衰減與限帶；TDIP與TDEM方法信號經整形電路輸出，得到正停負停波形；選通開關根據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。

斬波電路由基準電壓源、單道單擲開關K1及運放U2組成；前端U1為基準電壓源，固定輸出2.5V基準；單刀單擲開關受控于時鐘信號SW，當SW為高時，K1閉合，當SW為低時，K1開路；運放U2為TI生產的OPA2378，具有零漂移、低噪聲、低功耗的特征；

當輸入控制信號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U4B進行加法運算得到負停正停的目標信號，幅值為±2.5V，U5A與U5B進行限帶，帶寬設置為10kHz，其中Vout_TDEM幅值輸出為±1Vpp，Vout_TDIP輸出為±10mVpp。

設置為MT工作模式時，FPGA設置產生兩路獨立的偽隨機序列，偽隨機信號碼元寬度為1ms，長度為16M，兩路信號經由斬波電路得到±10mVpp方波信號，Ex、Hy由其中一路序列產生，Ey、Hx由另一路序列產生，模擬開關設置為選通斬波電路輸出。

設置為AMT工作模式時，區別于MT模式，碼元寬度設置為10us，其他一致；

設置為CSAMT模式時，MCU讀取GPS時間信息，根據頻率表時間計算當前時間點的發射頻率，FPGA在MCU的控制進行特定頻點輸出。某個頻點發送結束后，MCU依次進行后續頻點方波輸出。方波輸出經由斬波電路輸出；輸出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

設置為SIP輸出時，區別于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。

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

設置為TDEM模式時，區別TDIP模式，信號幅值設置為±1Vpp，其他一致。

本發明由FPGA在MCU的控制下產生兩路獨立的偽隨機序列，經斬波電路后得到白噪聲序列，實現AMT、MT信號輸出；由FPGA與GPS模塊配合授時，產生特定頻率的方波，在MCU的控制下實現自動循環掃頻輸出，實現CSAMT、SIP信號輸出；由MCU根據時間信息控制FPGA觸發產生2s脈寬的方波，經整形電路產生正停負停的TDIP及TDEM波形。各波形由選通開關輸出至對應的通道中。

因而，本發明模擬器可以進行MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP與TDEM 6種制式信號輸出，具有多功能、自動循環掃頻、高精度時間同步、便攜、低功耗和簡單易用的優點，為多功能電磁接收機的室內及野外現場自檢測試提供方案。

附圖說明

圖1為本發明信號模擬器電路框圖。

圖2為本發明的斬波電路原理圖。

圖3為本發明的整形電路原理圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明一種用于多功能電磁法接收機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、旋轉開關、MCXO、FPGA、斬波電路、整形電路、選通開關、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，FPGA連接MCXO、斬波電路、整形電路及選通開關，斬波電路和整形電路分別連接選通開關，通過選通開關進行電路信號輸出。

其中GPS為電路提供時間信息及PPS秒脈沖，型號為Ublox-6T模塊；MCU識別旋鈕開關輸入的模式選擇，根據模式選擇與FPGA配合產生響應的時鐘信號，MCU選擇TI MSP430系列單片機；FPGA為Altera的MAX10系列FPGA產品，在MCU的控制下進行時鐘信號分頻、頻率合成、PPS觸發；MCXO數字補償晶振為FPGA提供系統時鐘，時鐘頻率12.288MHz，頻率穩定度為±10ppb；斬波電路將FPGA時鐘信號轉換為正負方波，為MT、AMT、SIP、CSAMT準備，并根據方法要求進行特定比例的幅度衰減與限帶；TDIP與TDEM方法信號經整形電路輸出，得到正停負停波形；選通開關根據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，斬波電路由基準電壓源、單道單擲開關及運放組成。前端U1為基準電壓源，固定輸出2.5V基準，為Linear公司生產的LT1019-2.5，具有高精度、低功耗、低溫漂的特征；單刀單擲開關受控于時鐘信號SW，當SW為高時，K1閉合，當SW為低時，K1開路；運放U2為TI生產的OPA2378，具有零漂移、低噪聲、

當輸入控制信號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U4B進行加法運算得到負停正停的目標信號，幅值為±2.5V，U5A與U5B進行限帶，帶寬設置為10kHz，其中Vout_TDEM幅值輸出為±2Vpp，Vout_TDIP輸出為±20mVpp。

設置為MT工作模式時，FPGA設置產生兩路獨立的偽隨機序列，偽隨機信號碼元寬度為1ms，長度為16M，兩路信號經由斬波電路得到10mVpp方波信號，Ex、Hy由其中一路序列產生，Ey、Hx由另一路序列產生，模擬開關設置為選通斬波電路輸出。

設置為AMT工作模式時，區別于MT模式，碼元寬度設置為10us，其他一致；

設置為CSAMT模式時，MCU讀取GPS時間信息，根據頻率表時間計算當前時間點的發射頻率，FPGA在MCU的控制進行特定頻點輸出。某個頻點發送結束后，MCU依次進行后續頻點方波輸出。方波輸出經由斬波電路輸出；輸出至Ex、Ey、Hx、Hy、Hz；

設置為SIP輸出時，區別于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。

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

設置為TDEM模式時，區別TDIP模式，信號幅值設置為±1V，其他一致；

本發明用于多功能電磁法接收機測試用的信號模擬器主要參數：

多功能：MT、AMT、CSAMT、SIP、TDIP、TDEM；

輸出通道：6(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz)；

同步精度：優于10us；

輸出信號參數：

MT：偽隨機、頻帶：0.1mHz-1000Hz、幅度10mVp；

AMT：偽隨機、頻帶：0.01Hz-100kHz、幅度10mVp；

CSAMT：方波、41頻點、50min頻率表循環、幅度10mVp；

SIP：方波、12頻點、15min頻率表循環、幅度10mVp；

TDIP：正停負停、脈寬2s、幅度10mVp、預設極化率5％；

TDEM：正停負停、脈寬2s、幅度1Vp

功耗：小于100mW(不含GPS模塊)

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

操作方法：將本發明用于多功能電磁法接收機測試用的信號模擬器置于有GPS信號的區域，輸出端接入至多功能電磁接收機中，根據接收機測試需求選擇不同的模式，信號模擬器自動輸出對應的波形、LED指示工作狀態。注：MT、AMT模式下無需GPS信號支持。

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