CN106533186A - 电磁探测仪器发射机 - Google Patents

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查明
王衡
罗志清
熊桥坡
何杰
李纵
杨淼
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers without distortion of the input signal
    • H03G3/004—Control by varying the supply voltage

Abstract

本发明公开了一种电磁探测仪器发射机，属于电磁探测技术领域。所述电磁探测仪器发射机包括：电源、升压电源电路、H型发射桥、驱动电路、第一处理单元、第二处理单元、发射控制平台和发射电极，发射控制平台用于根据获取到的控制指令，输出第一控制信号和第二控制信号；第一处理单元用于根据第一控制信号产生第一驱动信号；升压电源电路用于在第一驱动信号作用下对电源输出的直流电压进行升压，得到升压信号；第二处理单元用于根据第二控制信号产生脉冲宽度调制信号；驱动电路用于根据脉冲宽度调制信号产生第二驱动信号；H型发射桥用于在第二驱动信号作用下对升压信号进行逆变处理，并将得到的具有设定占空比的发射信号输出给发射电极。

Description

电磁探测仪器发射机
技术领域
本发明涉及电磁探测技术领域，特别涉及一种电磁探测仪器发射机。
背景技术
电磁探测技术是根据电磁感应原理研究天然和人工场源在大地中激励的交变电磁场分布，并由观测到的电磁场分布研究地下电性及地质特征的一种探测技术。
电磁探测通常采用电磁探测仪器实现，电磁探测仪器由发射机和接收机组成。其中，发射机的主要作用是通过逆变电路对原始信号进行功率放大和逆变处理，然后输出给发射电极，产生电磁场。
目前，现在市场上电磁探测仪器的发射机通过功率放大只能产生单一占空比的信号，造成无法同时应用于时域探测方法（要求占空比小于100%）和频域探测方法（要求占空比等于100%）。
发明内容
为了解决现有技术中的电磁探测仪器的发射机通过功率放大只能产生单一占空比的信号的问题，本发明实施例提供了一种电磁探测仪器发射机。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种电磁探测仪器发射机，所述电磁探测仪器发射机包括：
电源、升压电源电路、H型发射桥、驱动电路、第一处理单元、第二处理单元、发射控制平台和发射电极，所述升压电源电路的输入端与所述电源电连接，所述升压电源电路的输出端与所述H型发射桥的输入端电连接，所述升压电源电路还与所述第一处理单元电连接，所述H型发射桥的输出端与所述发射电极电连接，所述H型发射桥还与所述驱动电路的输出端电连接，所述驱动电路的输入端与所述第二处理单元电连接，所述发射控制平台同时与所述第一处理单元和所述第二处理单元电连接；
所述电源用于提供一直流电压；所述发射控制平台用于根据获取到的控制指令，分别向所述第一处理单元和所述第二处理单元输出与所述控制指令相应的第一控制信号和第二控制信号；所述第一处理单元用于根据所述第一控制信号产生第一驱动信号；所述升压电源电路用于在所述第一驱动信号作用下对所述电源输出的直流电压进行升压，得到升压信号；所述第二处理单元用于根据所述第二控制信号产生脉冲宽度调制信号；所述驱动电路用于根据所述脉冲宽度调制信号产生第二驱动信号；所述H型发射桥用于在所述第二驱动信号作用下对所述升压信号进行逆变处理，并将得到的具有设定占空比的发射信号输出给所述发射电极。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述升压电源电路包括推挽直流电源电路，所述推挽直流电源电路分别与所述电源和所述H型发射桥电连接。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述推挽直流电源电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、变压器、第一整流二极管和第二整流二极管，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极与第一处理单元电连接，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的源极与所述电源的负极电连接，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的漏极与所述变压器的初级电连接，所述变压器的初级还与所述电源的正极电连接，所述变压器的次级连接所述第一整流二极管和第二整流二极管的正极，所述第一整流二极管和第二整流二极管的负极以及所述变压器的次级同时与所述H型发射桥电连接。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述H型发射桥包括第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、第五场效应晶体管和第六场效应晶体管，所述第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、第五场效应晶体管和第六场效应晶体管的栅极均与所述驱动电路电连接，所述第三场效应晶体管的漏极同时与所述第五场效应晶体管的漏极及所述升压电源电路的输出端电连接，所述第四场效应晶体管的源极同时与所述第六场效应晶体管的源极及所述升压电源电路的输出端电连接，所述第三场效应晶体管的源极与所述第四场效应晶体管的漏极电连接，且所述发射电极的一端连接在所述第三场效应晶体管的源极与所述第四场效应晶体管的漏极之间，所述第五场效应晶体管的源极与所述第六场效应晶体管的漏极电连接，且所述发射电极的另一端连接在所述第五场效应晶体管的源极与所述第六场效应晶体管的漏极之间。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一整流二极管和所述第二整流二极管均为快恢复二极管。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一场效应晶体管、所述第二场效应晶体管、所述第三场效应晶体管、所述第四场效应晶体管、所述第五场效应晶体管和所述第六场效应晶体管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述电磁探测仪器发射机还包括电压检测单元和电流检测单元，所述电压检测单元和所述电流检测单元的输入端均与所述H型发射桥电连接，所述电压检测单元和所述电流检测单元的输出端均与所述第一处理单元电连接；
所述电压检测单元用于检测所述H型发射桥的电压，所述电流检测单元用于检测所述H型发射桥的电流；所述第一处理单元用于根据所述电压检测单元和所述电流检测单元检测到的所述H型发射桥的电压和电流，判断所述H型发射桥是否发生故障，当所述H型发射桥发生故障时，向所述发射控制平台发出故障信号，所述发射控制平台用于在所述H型发射桥发生故障时，控制所述第一处理单元和所述第二处理单元停止输出第一驱动信号和第二驱动信号。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述电流检测单元为霍尔电流传感器，所述电压检测单元为霍尔电压传感器。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述电磁探测仪器发射机还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述升压电源电路和所述H型发射桥之间。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述发射控制平台为数字信号处理器，所述第一处理单元为单片机，所述第二处理单元为复杂可编程逻辑器件，所述发射控制平台与所述第一处理单元通过RS232接口连接，所述发射控制平台与所述第二处理单元通过通用输入输出接口连接。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例通过在电源输出信号在经过升压电源电路后，得到升压信号，再将升压信号输入到H型发射桥进行逆变处理，以得到输出给发射电极的发射信号，在逆变过程中，通过驱动电路产生的第二驱动信号对其占空比进行控制，得到具有设定占空比的发射信号，也就是说该发射机中经过逆变处理得到的发射信号的占空比是可调的，因此，该电磁探测仪器发射机既可应用于时域探测方法，又可以应用于频域探测方法；另外，该电磁探测仪器发射机中产生的第一驱动信号和第二驱动信号，均是发射控制平台根据控制指令产生的控制信号控制第一处理单元和第二处理单元产生的，实现了对发射信号的频率和占空比的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电磁探测仪器发射机的框图；
图2是本发明实施例提供的一种电磁探测仪器发射机的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种信号时序图；
图4是本发明实施例提供的另一种信号时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种电磁探测仪器发射机的结构示意图，参见图1，电磁探测仪器发射机包括：
电源101、升压电源电路102、H型发射桥103、驱动电路104、第一处理单元105、第二处理单元106、发射控制平台107和发射电极108，升压电源电路102的输入端与电源101电连接，升压电源电路102的输出端与H型发射桥103的输入端电连接，升压电源电路102还与第一处理单元105电连接，H型发射桥103的输出端与发射电极108电连接，H型发射桥103还与驱动电路104的输出端电连接，驱动电路104的输入端与第二处理单元106电连接，发射控制平台107同时与第一处理单元105和第二处理单元106电连接。
电源101用于提供一直流电压；发射控制平台107用于根据获取到的控制指令，分别向第一处理单元105和第二处理单元106输出与控制指令相应的第一控制信号和第二控制信号；第一处理单元105用于根据第一控制信号产生第一驱动信号；升压电源电路102用于在第一驱动信号作用下对电源101输出的直流电压进行升压，得到升压信号；第二处理单元106用于根据第二控制信号产生脉冲宽度调制信号；驱动电路104用于根据脉冲宽度调制信号产生第二驱动信号；H型发射桥103用于在第二驱动信号作用下对升压信号进行逆变处理，并将得到的具有设定占空比的发射信号输出给发射电极108。
在本发明实施例中，电源101可以为蓄电池，用于提供24V直流电压。该2V直流电压经过升压电源电路102后升压为400V直流电压；将上述的直流电压通过H型发射桥103，产生最高功率为2KW、最大电流为5A的发射信号。
图2是本发明实施例提供的一种电磁探测仪器发射机的电路图，参见图2，升压电源电路102包括推挽直流电源电路，推挽直流电源（DCDC）电路分别与电源101和H型发射桥103电连接。
具体地，推挽直流电源电路包括第一场效应晶体管T1、第二场效应晶体管T2、变压器T、第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，第一场效应晶体管T1和第二场效应晶体管T2的栅极与第一处理单元105电连接（图未示出），第一场效应晶体管T1和第二场效应晶体管T2的源极与电源101的负极电连接，第一场效应晶体管T1和第二场效应晶体管T2的漏极与变压器T的初级电连接，变压器T的初级还与电源101的正极电连接，变压器T的次级连接第一整流二极管D1和第二整流二极管D2的正极，第一整流二极管D1和第二整流二极管D2的负极以及变压器T的次级同时与H型发射桥103电连接。第一场效应晶体管T1、第二场效应晶体管T2将电源101输出的直流电压逆变成交流电压，再经过变压器T升压，然后通过第一整流二极管D1和第二整流二极管D2整流成直流电压。
其中，第一整流二极管D1和第二整流二极管D2可以为快恢复二极管，型号可以为RHRP8120。
如图2所示，在电源101和升压电源电路102之间还可以包括电容C1，电容C1的两端分别连接电源的正极和负极，通过设置电容C1可以改善电源101的输出电流特性。其中，电容C1可以为两个35V 3300uF电解电容并联而成。
再次参见图2，H型发射桥103包括第三场效应晶体管T3、第四场效应晶体管T4、第五场效应晶体管T5和第六场效应晶体管T6，第三场效应晶体管T3、第四场效应晶体管T4、第五场效应晶体管T5和第六场效应晶体管T6的栅极均与驱动电路104电连接（图未示出），第三场效应晶体管T3的漏极同时与第五场效应晶体管T5的漏极及升压电源电路102的输出端电连接，第四场效应晶体管T4的源极同时与第六场效应晶体管T6的源极及升压电源电路102的输出端电连接，第三场效应晶体管T3的源极与第四场效应晶体管T4的漏极电连接，且发射电极108的一端连接在第三场效应晶体管T3的源极与第四场效应晶体管T4的漏极之间，第五场效应晶体管T5的源极与第六场效应晶体管T6的漏极电连接，且发射电极108的另一端连接在第五场效应晶体管T5的源极与第六场效应晶体管T6的漏极之间。
具体地，上述场效应晶体管T1～T6可以是金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET），其中T1和T2的型号可以为FDP047AN08A0，T3～T6的型号可以为APT22F80B。
在本发明实施例中，发射控制平台107获取控制指令（可以由用户输入），该控制指令包括交流电压频率和发射信号占空比，发射控制平台107将该控制指令转换为第一控制信号和第二控制信号。
在本发明实施例中，发射控制平台107向第一处理单元105发送用于指示交流电压（即前文所述第一场效应晶体管T1、第二场效应晶体管T2将电源101输出的直流电压逆变成的交流电压）频率的第一控制信号；第一处理单元105根据第一控制信号生成第一驱动信号。第一驱动信号包括相位相反的两路信号，相位相反的两路信号用于周期间隔导通第一场效应管T1和第二场效应管T2，使得电源输出的电压依次通过第一场效应管T1和第二场效应管T2。通过控制第一场效应管T1和第二场效应管T2交替工作，实现电压逆变作用。
在本发明实施例中，发射控制平台107向第二处理单元106发送用于指示发射信号占空比的第二控制信号；第二处理单元106根据该第二控制信号生成具有该占空比的脉冲宽度调制信号，并传输给驱动电路104；驱动电路104根据该脉冲宽度调制信号产生第二驱动信号。第二驱动信号包括具有特定时序关系的四路信号，这四路信号分别输出到H型发射桥103中的四个场效应晶体管T3～T6。例如，图3和图4所示分别为发射信号的占空比100%和占空比50%时，T3～T6的驱动信号波形图。如图3所示，在发射信号的占空比为100%时，T3和T6的驱动信号相同，T4和T5的驱动信号相同，T3和T4的驱动信号反相。如图4所示，在发射信号的占空比为50%时，T3和T6的驱动信号相同，T4和T5的驱动信号相同，T3和T4的驱动信号之间存在半个周期的相位差。另外，T3～T6驱动信号为高电平时，T3～T6导通，T3～T6驱动信号为低电平时，T3～T6不导通，当T3和T6同时导通时，发射信号为正电压E，当T4和T5同时导通时，发射信号为负电压-E，其他情况时，发射波形为零电压。其中，E为电容C2的电压。
可选地，电磁探测仪器发射机还可以包括电压检测单元109和电流检测单元110，电压检测单元109和电流检测单元110的输入端均与H型发射桥103电连接，电压检测单元109和电流检测单元110的输出端均与第一处理单元105电连接。
电压检测单元109用于检测H型发射桥103的电压，电流检测单元110用于检测H型发射桥103的电流；第一处理单元105用于根据电压检测单元109和电流检测单元110检测到的H型发射桥103的电压和电流，判断H型发射桥103是否发生故障，当H型发射桥103发生故障（例如过压或过流）时，向发射控制平台107发出故障信号，发射控制平台107用于在H型发射桥103发生故障时，控制第一处理单元105和第二处理单元106停止输出第一驱动信号和第二驱动信号，使得发射机的电压和电流变为0，从而对整个电路起到保护作用。
进一步地，第一处理单元105还用于将电压检测单元109和电流检测单元110检测到的H型发射桥103的电压和电流发送给发射控制平台107，以使发射控制平台107可以向用户显示这些数据，进而用户可以根据这些数据对整个发射机进行调控；或者，发射控制平台107根据这些数据自动对整个发射机进行调控。
具体地，电压检测单元109和电流检测单元110的输入端连接在H型发射桥103中场效应晶体管T3～T6连接升压电源电路102的端子上。
具体地，电流检测单元110可以为霍尔电流传感器，电压检测单元109可以为霍尔电压传感器。采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器便于电路集成化。
进一步地，电磁探测仪器发射机还可以包括滤波电路111，滤波电路111设置在升压电源电路102和H型发射桥103之间。
如图2所示，滤波电路111可以包括电感L和电容C2，电感L的一端与第一整流二极管D1和第二整流二极管D2的负极电连接，电感L的另一端与第三场效应晶体管T3的漏极电连接，电容C2的一端与第三场效应晶体管T3的漏极电连接，电容C2的另一端与第四场效应晶体管T3的源极电连接。
其中，电容C2可以采用两个450V220uF的电解电容并联而成。
在本发明实施例的一种实现方式中，发射控制平台107为数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）；第一处理单元105为单片机（例如C8051F340），单片机可以实现第一处理单元105所需的采样检测以及通信功能（与发射控制平台之间）；第二处理单元106为复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，简称CPLD）（例如EPM570T100I5），发射控制平台107与第一处理单元105通过RS232接口连接，发射控制平台107与第二处理单元106通过通用输入输出（General Purpose Input Output，简称GPIO）接口连接。
在本发明实施例中，驱动电路104可以采用驱动芯片IR2113实现。
在本发明实施例中，上述升压电源电路102和滤波电路111可以集成在一块PCB上，H型发射桥103、电压检测单元109、电流检测单元110、驱动电路104、第一处理单元105、第二处理单元106和发射控制平台107可以集成在另一块印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB），通过两块PCB集成电磁探测仪器发射机的主要单元，使得该发射机的设备体积小、质量轻，便于携带，适用于野外试验。
本发明实施例通过在电源输出信号在经过升压电源电路后，得到升压信号，再将升压信号输入到H型发射桥进行逆变处理，以得到输出给发射电极的发射信号，在逆变过程中，通过驱动电路产生的第二驱动信号对其占空比进行控制，得到具有设定占空比的发射信号，也就是说该发射机中经过逆变处理得到的发射信号的占空比是可调的，因此，该电磁探测仪器发射机既可应用于时域探测方法，又可以应用于频域探测方法；另外，该电磁探测仪器发射机中产生的第一驱动信号和第二驱动信号，均是发射控制平台根据控制指令产生的控制信号控制第一处理单元和第二处理单元产生的，实现了对发射信号的频率和占空比的调节。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述电磁探测仪器发射机包括：
电源、升压电源电路、H型发射桥、驱动电路、第一处理单元、第二处理单元、发射控制平台和发射电极，所述升压电源电路的输入端与所述电源电连接，所述升压电源电路的输出端与所述H型发射桥的输入端电连接，所述升压电源电路还与所述第一处理单元电连接，所述H型发射桥的输出端与所述发射电极电连接，所述H型发射桥还与所述驱动电路的输出端电连接，所述驱动电路的输入端与所述第二处理单元电连接，所述发射控制平台同时与所述第一处理单元和所述第二处理单元电连接；
所述电源用于提供一直流电压；所述发射控制平台用于根据获取到的控制指令，分别向所述第一处理单元和所述第二处理单元输出与所述控制指令相应的第一控制信号和第二控制信号；所述第一处理单元用于根据所述第一控制信号产生第一驱动信号；所述升压电源电路用于在所述第一驱动信号作用下对所述电源输出的直流电压进行升压，得到升压信号；所述第二处理单元用于根据所述第二控制信号产生脉冲宽度调制信号；所述驱动电路用于根据所述脉冲宽度调制信号产生第二驱动信号；所述H型发射桥用于在所述第二驱动信号作用下对所述升压信号进行逆变处理，并将得到的具有设定占空比的发射信号输出给所述发射电极。
2.根据权利要求1所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述升压电源电路包括推挽直流电源电路，所述推挽直流电源电路分别与所述电源和所述H型发射桥电连接。
3.根据权利要求2所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述推挽直流电源电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、变压器、第一整流二极管和第二整流二极管，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极与第一处理单元电连接，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的源极与所述电源的负极电连接，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的漏极与所述变压器的初级电连接，所述变压器的初级还与所述电源的正极电连接，所述变压器的次级连接所述第一整流二极管和第二整流二极管的正极，所述第一整流二极管和第二整流二极管的负极以及所述变压器的次级同时与所述H型发射桥电连接。
4.根据权利要求3所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述H型发射桥包括第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、第五场效应晶体管和第六场效应晶体管，所述第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、第五场效应晶体管和第六场效应晶体管的栅极均与所述驱动电路电连接，所述第三场效应晶体管的漏极同时与所述第五场效应晶体管的漏极及所述升压电源电路的输出端电连接，所述第四场效应晶体管的源极同时与所述第六场效应晶体管的源极及所述升压电源电路的输出端电连接，所述第三场效应晶体管的源极与所述第四场效应晶体管的漏极电连接，且所述发射电极的一端连接在所述第三场效应晶体管的源极与所述第四场效应晶体管的漏极之间，所述第五场效应晶体管的源极与所述第六场效应晶体管的漏极电连接，且所述发射电极的另一端连接在所述第五场效应晶体管的源极与所述第六场效应晶体管的漏极之间。
5.根据权利要求4所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述第一整流二极管和所述第二整流二极管均为快恢复二极管。
6.根据权利要求4所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述第一场效应晶体管、所述第二场效应晶体管、所述第三场效应晶体管、所述第四场效应晶体管、所述第五场效应晶体管和所述第六场效应晶体管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述电磁探测仪器发射机还包括电压检测单元和电流检测单元，所述电压检测单元和所述电流检测单元的输入端均与所述H型发射桥电连接，所述电压检测单元和所述电流检测单元的输出端均与所述第一处理单元电连接；
所述电压检测单元用于检测所述H型发射桥的电压，所述电流检测单元用于检测所述H型发射桥的电流；所述第一处理单元用于根据所述电压检测单元和所述电流检测单元检测到的所述H型发射桥的电压和电流，判断所述H型发射桥是否发生故障，当所述H型发射桥发生故障时，向所述发射控制平台发出故障信号，所述发射控制平台用于在所述H型发射桥发生故障时，控制所述第一处理单元和所述第二处理单元停止输出第一驱动信号和第二驱动信号。
8.根据权利要求7所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述电流检测单元为霍尔电流传感器，所述电压检测单元为霍尔电压传感器。
9.根据权利要求1-6任一项所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述电磁探测仪器发射机还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述升压电源电路和所述H型发射桥之间。
10.根据权利要求1-6任一项所述的电磁探测仪器发射机，其特征在于，所述发射控制平台为数字信号处理器，所述第一处理单元为单片机，所述第二处理单元为复杂可编程逻辑器件，所述发射控制平台与所述第一处理单元通过RS232接口连接，所述发射控制平台与所述第二处理单元通过通用输入输出接口连接。
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