CN102937019A

CN102937019A - 一种微弱信号产生装置

Info

Publication number: CN102937019A
Application number: CN201210403340XA
Authority: CN
Inventors: 吴银川; 张家田; 严正国; 苏娟
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-02-20

Abstract

一种微弱信号产生装置，控制处理模块与两个采集模块相连，控制处理模块与计算机、DDS模块、测量显示模块、微电流源模块连接；DDS模块与滤波模块连接，滤波模块与微电流源模块连接，微电流源模块与信号调理模块连接；信号调理模块分别与第一采集模块和检相模块连接；检相模块的输出端与第二采集模块连接；本发明能与计算机通信，来自测井仪器的时钟信号作为DDS模块的时钟信号，来自测井仪器同步信号接入装置的检相模块；具有频率可调、幅度可控、输出信号能自动与测井发射信号同步、标定显示信号参数的特点。

Description

一种微弱信号产生装置

技术领域

本发明涉及测井微弱信号处理技术领域，特别涉及一种适合实验室环境中模拟测井的一种微弱信号产生装置。

背景技术

石油电法测井技术中，直接检测信号的数量级有毫伏级（mV）、微伏级（μV）及纳伏级（nV）等，这就要求测井仪器中数据采集系统具有一定分辨弱信号的能力。实际仪器设计、生产调试中，为检测验证仪器微弱信号采集系统的性能，需在实验室中利用采集系统直接采集对应量级的微弱信号，而这一微弱信号的产生实际存在困难。常规通用信号发生器的最小输出信号幅度为mV（例如10mV），需要更小幅度信号时，利用电阻的分压实现，而分压输出微弱信号的幅度、频率、相位以及噪声等性能无法保证；另外实际测试过程中，要求微弱信号与测井发射信号相位同步，更真实的模拟实际测井信号，这一点通用信号发生器很难满足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微弱信号产生装置，具有频率可调、幅度可控、输出信号能自动与测井发射信号同步、标定显示信号参数的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微弱信号产生装置，包括控制处理模块1，控制处理模块1的信号端分别与第一采集模块3、第二采集模块4的信号端相连，控制处理模块1控制端通过USB通信模块10与计算机相连，控制处理模块1的输出端与数字频率合成模块即DDS模块2、测量显示模块9的输入端连接；控制处理模块1的输出端与微电流源模块（7）连接；

所述DDS模块2的输出端与滤波模块5的输入端连接，DDS模块2的时钟来自外部仪器；

滤波模块5的输出端与微电流源模块7的输入端连接，微电流源模块7的输出端与信号调理模块6的输入端连接，并同时提供对外部的信号输出；

信号调理模块6的输出端分别与第一采集模块3和检相模块8的输入端连接；检相模块8的输出端与第二采集模块4的输入端连接；检相模块8的输入端接收来之外部的同步信号。

本发明具有频率可调、幅度可控、输出信号能自动与测井发射信号同步、标定显示信号参数的特点。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图。

图2是图1所示的DDS模块产生信号原理图。

图3是图1所示的微电流源模块产生微弱信号原理图。

图4是相位同步原理图。

图5是信号参数(幅度和相位)检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种微弱信号产生装置，包括控制处理模块1，控制处理模块1的信号端分别与第一采集模块3、第二采集模块4的信号端相连，控制处理模块1控制端通过USB通信模块10与计算机相连，控制处理模块1的输出端与DDS模块2、测量显示模块9的输入端连接；控制处理模块1的输出端与微电流源模块7连接；

所述合成DDS模块2的输出端与滤波模块5的输入端连接，DDS模块2的时钟来自外部仪器；

图2是DDS模块2产生信号原理图。

如图2所示，DDS模块包含相位累加器、波形存储ROM、D/A转换器、低通滤波器以及参考时钟源。本装置中参考时钟来自外部测井仪器，以保证测井仪器采集系统时钟与装置系统时钟同步。例如频率控制寄存器FREQREG位数为28位，输出信号频率f_c为：

f_{o} = \frac{f_{MCLK}}{2^{28}} \times FREQREG

其中f_MCLK为DDS模块的时钟频率；FREQREG为控制处理模块写入28位频率寄存器的值；f_MCLK/2²⁸为频率分辨率。例如相位控制寄存器PHASEREG位数为12位，输出信号相位p_o为：

p_{o} = \frac{2 π}{2^{12}} \times PHASEREG

其中PHASEREG为控制处理模块写入12位相位寄存器的值；2π/2¹²为相位分辨率。在满足频率分辨率和相位分辨率条件下，通过改变FREQREG和PHASEREG的值，改变输出信号的频率和初相位。

图3是微电流源模块7产生微弱信号原理图，如图3所示，微电流源模块7主要由精密电阻和低噪声运放构成，负载电流I_L为：

I_{L} = \frac{e_{s}}{R_{s}}

其中e_S为微电流源模块7的输入电压信号，R_S为精密取样电阻，负载电流I_L输出为nA-mA数量级，因此微电流源模块输出nV-mA级电压信号。

图4是相位同步原理图。

如图4所示，由于DDS模块2的时钟来自测井仪器，因此DDS模块2产生的信号与来自仪器的同步信号之间存在固定相位差。装置中通过检相模块8、第二采集模块4以及控制处理模块1，检测DDS模块2产生的信号和来自仪器的同步信号的相位差，通过不断调整DDS模块2输出信号的初相位，使其输出相位与来自仪器的同步信号相位相同。

图5是信号参数(幅度和相位)检测原理图。

如图1所示，微弱信号产生装置输出信号通过信号调理模块、第一采集模块以及控制处理模块，检测输出信号的幅度和初相位。检测原理如图5所示。其中s(n)为被检测的信号，cos(n)和sin(n)是和s(n)同频正交参考信号，检测得到信号的幅度A_m和相位

这里假设

0≤n≤N-1

\cos (n) = \cos (\frac{2 πfn}{f_{s}})

0≤n≤N-1

\sin (n) = \sin (\frac{2 πfn}{f_{s}})

0≤n≤N-1

其中s_DC为信号中的直流分量，f为被检信号的频率，f_s为系统的采样频率，N为采样点数。根据图5检测原理有：

式I(n)和Q(n)计算结果含有直流信号、同频信号、2倍频信号。其中直流项中含有检测信号的幅度和相位信息，只要通过合适的低通滤波就可以得到。而原信号中的直流量s_DC并未对检测结果产生影响。I(n)和Q(n)经过数字低通滤波后有：

所以检测出信号幅度和相位为：

A_{m} = 2 \sqrt{X^{2} + Y^{2}}

本发明的详细工作原理为：

计算机将要产生的频率、幅度以及相位信号指令发送给控制处理模块1，控制处理模块1将接收的指令解析，并将频率和相位的指令发送给DDS模块2，将幅度指令发送给微电流源模块7；DDS模块2在来自外部仪器的时钟作用下，产生设定频率和相位的信号，信号通过滤波模块5实现滤波，滤波后的信号输入到微电流源模块7，微电流源模块7接收控制处理模块1发送的幅度控制指令，实现信号的幅度控制，微电流源输出要求的微弱信号；控制处理模块1根据待产生信号的有关参数确定第一采集模块3和第二采集模块4的采集参数，启动数据采集任务；第一采集模块3实现输出微弱信号的采集，并将采集的数据送至控制处理模块1，控制处理模块经过运算处理，检测出微弱信号的幅度、相位等参数，根据检测参数调整发送至微电流源模块7的幅度参数指令，同时控制处理模块1将微弱信号的幅度、相位等参数发送至计算机和测量显示模块9；检相模块8实现输出信号与来自测井仪器同步信号的相位差检测，检相模块8输出为一直流信号，该直流信号通过第二采集模块4采集，采集数据送至控制处理模块1，控制处理模块1根据相邻两次的计算结果实时调整发送至DDS模块2的相位指令，最终实现输出微弱信号和来自仪器同步信号的同步。

Claims

1.一种微弱信号产生装置，包括控制处理模块（1），控制处理模块（1）的信号端分别与第一采集模块（3）、第二采集模块（4）的信号端相连，控制处理模块（1）控制端通过USB通信模块（10）与计算机相连，控制处理模块（1）的输出端与DDS模块（2）、测量显示模块（9）的输入端连接；控制处理模块（1）的输出端与微电流源模块（7）连接；

所述DDS模块（2）的输出端与滤波模块（5）的输入端连接，DDS模块（2）的时钟来自外部仪器；

滤波模块（5）的输出端与微电流源模块（7）的输入端连接，微电流源模块（7）的输出端与信号调理模块（6）的输入端连接，并同时提供对外部的信号输出；

信号调理模块（6）的输出端分别与第一采集模块（3）和检相模块（8）的输入端连接；检相模块（8）的输出端与第二采集模块（4）的输入端连接；检相模块（8）的输入端接收来之外部的同步信号。