CN111323832B - 一种基于相位检测的地质信号接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位检测的地质信号接收机，可以对频率较低且幅度较小的微弱地质信号进行接收与检测，得到相位与幅度信息，并可进一步将数据直观的显示到LCD屏上，便于对数据的分析。本发明不仅对幅度的变化进行测量，同时对相位的变化进行测量，这样就有两种类型的数据判断介质的类型，对介质类型的判断更加准确，避免在地质勘探工作的挖掘、开发过程中遇到液体泄漏和危险气体泄露等事件的发生。
Description
技术领域
本发明涉及地质接收机领域，更具体地说，涉及基于相位检测的地质信号接收机。
背景技术
目前，在探测山体地质结构中，主要应用地质信号探测器来检测，在山体的一端发射信号穿过山体，用信号接收机在山体另一端接收该信号，通过观察和分析各个频段的信号幅度的衰减情况，从而判断山体中的地质成分，要想信号穿过更厚的山体，需要接收更低频段的信号；此外，目前的无线信号接收机大多只能探测信号的幅度，仅凭幅度这一指标可能无法保证勘探结果的准确性。
发明内容
针对上述技术问题，为提高勘探结果的准确性，促进地质工作现代化，本方案设计出一种可以接收和处理更低频段的信号，而且除幅度外，还可以探测信号相位的信号接收机。
本发明为解决其技术问题，提供了一种基于相位检测的地质信号接收机，包含依次串联的：接收天线、谐振电路、下混频电路、带通滤波电路、放大电路以及幅度相位测量电路；
其中，接收天线用于接收地质信号发射机所发射的发射信号经过要探测的目标地质结构后所形成的第一信号，谐振电路的输入端连接接收电线的输出端，用于从第一信号中选出与所述发射信号频率一致的信号，形成第二信号，下混频电路包含依次连接的第一滤波电路以及AD831；第一滤波电路的输入端连接谐振电路的输出端，用于滤除第二信号中的噪声，AD831的RFP引脚连接第一滤波电路的输出端，AD831的FIN引脚和AN引脚相连，IFP和AP引脚相连，LON引脚连接本地震荡信号，LOP引脚接地，BIAS引脚串联一个偏置电阻后接地，FVB引脚与OUT引脚之间通过110欧姆的第五电阻串联，FVB引脚与COM引脚之间通过51.1欧姆的第三电阻串联，且COM引脚串接5000欧姆的第一电阻后接+5V电源，串接5000欧姆的第二电阻后接地，OUT引脚串接51.1欧姆的第四电阻后连接带通滤波电路的输入端；其中，本地震荡信号被设置为与所述发射信号的波形相同，频率比所述发射信号高500KHz,带通滤波器的中心频率为500KHz；
幅度相位测量电路包括芯片AD8302，放大电路的输出端一方面串接一个10μF的电容后接AD8302的INPA引脚，另一方面依次串联两个50欧姆的电阻后连接参考信号的输入端，两个50欧姆电阻的连接处分别通过一个10μF的电容分别串接AD8302的OFSA引脚和OFSB引脚，参考信号的输入端同时通过一个10μF的电容串接AD8302的INPBA引脚，AD8302的VPOS引脚连接+5V电源，两个COMM引脚接地，MFLT引脚串接1μF的电容后接地，PFLT引脚串接10μF的电容后接地，VMAG引脚与MSET引脚连接后输出相位差信号，PSET引脚与VPHS引脚连接后输出幅度比信号；其中，参考信号被设置为与所述发射信号的波形和频率相同。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，还包括内置模数转换功能的STM32处理器以及与STM32处理器连接的显示屏，STM32处理器的模数转换输入引脚分别连接VMAG引脚、PSET引脚，以及显示屏，以在显示屏显示出根据相位差信号和幅度比信号得到的相位和幅度。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，谐振电路为并联的电感和电容。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，所述带通滤波器包括两个芯片NE5532；
第一个NE5532：1IN+引脚一方面依次串联两个13.3欧姆的电阻连接至所述第四电阻，另一方面通过接0.02μF的电容接地，1IN-和1OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容串联至所述两个13.3欧姆之间，2IN+引脚一方面通过接一0.02μF的电容接地，另一方面依次串联另外两个13.3欧姆电阻以及一0.02μF的电容后连接1OUT引脚，2IN-和2OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容连接至所述另外两个13.3欧姆电阻之间；
第二个NE5532：1IN+引脚一方面依次通过3个0.02μF的电容后连接1OUT引脚，另一方面连接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面连接一20欧姆的电阻后接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接1OUT，1OUT引脚串接一20欧姆的电阻后连接至所述3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间，2IN+引脚一方面依次串接另外三个0.02μF的电容后连接至第二个NE5532的1OUT，另一方面串接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面串接一20欧姆的电阻接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接第二个NE5532的2OUT，2OUT作为所述放大电路的输出端，且通过一20欧姆的电阻连接至所述另外3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，本地震荡信号与参考信号均是通过DDS产生。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，发射信号、本地震荡信号、参考信号均为正弦信号。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，发射信号频率为固定频率，取值范围为：0.1MHz～30MHz。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，所述放大电路为两级放大电路。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，第一滤波电路51.1欧姆的电阻R7、0.1μF的电容C15、大小为1.825μH电感L6、0.1μF的电容C16，51.1欧姆的电阻R7的一端分别连接谐振电路的输出端和0.1μF的电容C15的一端，另一端接地，0.1μF的电容C15的另一端连接0.1μF的电容C16的一端且同时通过电感L6后接地，0.1μF的电容C16另一端连接AD831的RFP引脚。
实施本发明的基于相位检测的地质信号接收机，可以对频率较低且幅度较小的微弱地质信号进行接收与检测，得到相位与幅度信息，并可进一步将数据直观的显示到LCD屏上，便于对数据的分析。本发明不仅对幅度的变化进行测量，同时对相位的变化进行测量，这样就有两种类型的数据判断介质的类型，对介质类型的判断更加准确，避免在地质勘探工作的挖掘、开发过程中遇到液体泄漏和危险气体泄露等事件的发生。参照本发明的图2和图3所设计的地质信号接收机已经在实际中进行测试，具体指标如下：接收信号频率范围：0.1MHz～30MHz；测量相位范围：0～180°；测量幅度范围：1uv～100mv。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的基于相位检测的地质信号接收机的一实施例的电路框图；
图2是本发明的基于相位检测的地质信号接收机的一实施例的部分电路原理图；
图3是本发明的基于相位检测的地质信号接收机的一实施例的DDS部分的电路原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，本实施主要应用AD831与AD8302来检测信号，最后由STM32进行相应的处理并通过LCD屏显示接收到的信号的幅度值和相位值。本实施例的基于相位检测的地质信号接收机，包含依次串联的：接收天线、谐振电路、下混频电路、带通滤波电路、放大电路以及幅度相位测量电路。
同时参考图2，接收天线用于接收地质信号发射机所发射的发射信号经过要探测的目标地质结构后所形成的第一信号。谐振电路的输入端连接接收电线的输出端，用于从第一信号中选出与所述发射信号频率一致的信号，形成第二信号，本实施例中谐振电路为并联的电感和电容，电容和电感的取值大小需要根据发射信号的频率进行设计，其为本领域的公知技术。
下混频电路包含依次连接的第一滤波电路以及AD831；第一滤波电路的输入端连接谐振电路的输出端，用于滤除第二信号中的噪声，在本实施例中，第一滤波电路51.1欧姆的电阻R7、0.1μF的电容C15、大小为1.825μH电感L6、0.1μF的电容C16，51.1欧姆的电阻R7的一端分别连接谐振电路的输出端和0.1μF的电容C15的一端，另一端接地，0.1μF的电容C15的另一端连接0.1μF的电容C16的一端且同时通过电感L6后接地，0.1μF的电容C16另一端连接AD831的RFP引脚。AD831的FIN引脚和AN引脚相连，IFP和AP引脚相连，LON引脚连接本地震荡信号，LOP引脚接地，BIAS引脚串联一个大小为1.33K欧姆的偏置电阻R8后接地，FVB引脚与OUT引脚之间通过110欧姆的第五电阻R5串联，FVB引脚与COM引脚之间通过51.1欧姆的第三电阻R3串联，且COM引脚串接5000欧姆的第一电阻R1后接+5V电源，串接5000欧姆的第二电阻R2后接地，OUT引脚串接51.1欧姆的第四电阻R4后连接带通滤波电路的输入端；其中，本地震荡信号被设置为与所述发射信号的波形相同，频率比所述发射信号高500KHz,带通滤波器的中心频率为500KHz。
在信号放大过程中，不同频段的信号放大效果不一致，所以本发明应用AD831将滤波后的第二信号与本地参考信号进行混频，主要将得到两个频段的信号，其计算公式下所示：
其中，Acos(ω1t)和Bcos(ω2t)一个为滤波后的第二信号，一个为本地参考信号。因为放大电路对于不同频率的信号放大效果是不一致的，所以对信号进行混频使接收的所有频率的信号都变成500KHz，从而使放大效果一致。
经过AD831低通滤波后，完成下混频；由于AD831在混频过程中还会产生其他频率的干扰信号，故应用中心频率为500KHz的带通滤波器对其进行处理，最终得到一个稳定的频率为500KHz的中频信号。这样的信号在经过一级放大与二级放大电路后，放大倍数将会保持一致，便于后面对信号幅度的还原。
所述带通滤波器包括两个芯片NE5532；
第一个NE5532：1IN+引脚一方面依次串联两个13.3欧姆的电阻连接至所述第四电阻，另一方面通过接0.02μF的电容接地，1IN-和1OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容串联至所述两个13.3欧姆之间，2IN+引脚一方面通过接一0.02μF的电容接地，另一方面依次串联另外两个13.3欧姆电阻以及一0.02μF的电容后连接1OUT引脚，2IN-和2OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容连接至所述另外两个13.3欧姆电阻之间；
第二个NE5532：1IN+引脚一方面依次通过3个0.02μF的电容后连接1OUT引脚，另一方面连接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面连接一20欧姆的电阻后接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接1OUT，1OUT引脚串接一20欧姆的电阻后连接至所述3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间，2IN+引脚一方面依次串接另外三个0.02μF的电容后连接至第二个NE5532的1OUT，另一方面串接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面串接一20欧姆的电阻接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接第二个NE5532的2OUT，2OUT作为所述放大电路的输出端，且通过一20欧姆的电阻连接至所述另外3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间。
放大电路用于对经过带通滤波器后的信号进行放大处理，使信号放大至合适的倍数后，适合后续电路处理。放大电路是本领域中常用的电路，其形式很多，本发明采用了两级放大的形式，具体参见图2，其中第一级放大电路通过INA128及其外围电路实现，由P2处至INA128的Vo引脚处，第二级由INA128的Vo引脚处至AD8302左侧的50欧姆电阻的左侧。应当理解的是，本发明的放大电路采用一般的放大电路均可，其本限定于本发明中附图2中的形式。
幅度相位测量电路包括芯片AD8302，放大电路的输出端一方面串接一个10μF的电容后接AD8302的INPA引脚，另一方面依次串联两个50欧姆的电阻后连接参考信号的输入端，两个50欧姆电阻的连接处分别通过一个10μF的电容分别串接AD8302的OFSA引脚和OFSB引脚，参考信号的输入端同时通过一个10μF的电容串接AD8302的INPBA引脚，AD8302的VPOS引脚连接+5V电源，两个COMM引脚接地，MFLT引脚串接1μF的电容后接地，PFLT引脚串接10μF的电容后接地，VMAG引脚与MSET引脚连接后输出相位差信号，PSET引脚与VPHS引脚连接后输出幅度比信号；其中，参考信号被设置为与所述发射信号的波形和频率相同。
为了使测量数据更全面，使结果更具准确性，该发明采用AD8302芯片在测量信号幅度值的同时，测量原始信号与参考信号的相位差，从而可以更好的了解信号在山体结构中所产生的变化；此外，该发明还合理的配置了AD8302的外围电路，使其能够在低频段内表现出良好的性能。
进一步地，在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，还包括内置模数转换功能的STM32处理器以及与STM32处理器连接的显示屏，STM32处理器的模数转换输入引脚分别连接VMAG引脚、PSET引脚，以及显示屏，以在显示屏显示出根据相位差信号和幅度比信号得到的相位和幅度。
在本发明的基于相位检测的地质信号接收机中，本地震荡信号与参考信号均是通过DDS产生。在本实施例中，发射信号、本地震荡信号、参考信号均为正弦信号。通过DDS产生震荡信号为本领域常用技术手段，其中一种形式可参考图3，其中J2和J4一个用于输出本地震荡信号，另一个用于输出参考信号。
信号在经过不同的介质时，会产生不同的相位变化和幅度的变化(此变化可以事先在实验室中进行对照试验)，本发明不仅对幅度的变化进行测量，同时对相位的变化进行测量，这样就有两种类型的数据判断介质的类型，对介质类型的判断更加准确，避免在地质勘探工作的挖掘、开发过程中遇到液体泄漏和危险气体泄露等事件的发生。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，包含依次串联的：接收天线、谐振电路、下混频电路、带通滤波电路、放大电路以及幅度相位测量电路；
其中，接收天线用于接收地质信号发射机所发射的发射信号经过要探测的目标地质结构后所形成的第一信号，谐振电路的输入端连接接收电线的输出端，用于从第一信号中选出与所述发射信号频率一致的信号，形成第二信号，下混频电路包含依次连接的第一滤波电路以及AD831；第一滤波电路的输入端连接谐振电路的输出端，用于滤除第二信号中的噪声，AD831的RFP引脚连接第一滤波电路的输出端，AD831的FIN引脚和AN引脚相连，IFP和AP引脚相连，LON引脚连接本地震荡信号，LOP引脚接地，BIAS引脚串联一个偏置电阻后接地，FVB引脚与OUT引脚之间通过110欧姆的第五电阻串联，FVB引脚与COM引脚之间通过51.1欧姆的第三电阻串联，且COM引脚串接5000欧姆的第一电阻后接+5V电源，串接5000欧姆的第二电阻后接地，OUT引脚串接51.1欧姆的第四电阻后连接带通滤波电路的输入端；其中，本地震荡信号被设置为与所述发射信号的波形相同，频率比所述发射信号高500KHz,带通滤波器的中心频率为500KHz；
幅度相位测量电路包括芯片AD8302，放大电路的输出端一方面串接一个10μF的电容后接AD8302的INPA引脚，另一方面依次串联两个50欧姆的电阻后连接参考信号的输入端，两个50欧姆电阻的连接处分别通过一个10μF的电容分别串接AD8302的OFSA引脚和OFSB引脚，参考信号的输入端同时通过一个10μF的电容串接AD8302的INPBA引脚，AD8302的VPOS引脚连接+5V电源，两个COMM引脚接地，MFLT引脚串接1μF的电容后接地，PFLT引脚串接10μF的电容后接地，VMAG引脚与MSET引脚连接后输出相位差信号，PSET引脚与VPHS引脚连接后输出幅度比信号；其中，参考信号被设置为与所述发射信号的波形和频率相同；
谐振电路为并联的电感和电容；
本地震荡信号与参考信号均是通过DDS产生。
2.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，还包括内置模数转换功能的STM32处理器以及与STM32处理器连接的显示屏，STM32处理器的模数转换输入引脚分别连接VMAG引脚、PSET引脚以及显示屏，以在显示屏显示出根据相位差信号和幅度比信号得到的相位和幅度。
3.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，所述带通滤波器包括两个芯片NE5532；
第一个NE5532：1IN+引脚一方面依次串联两个13.3欧姆的电阻连接至所述第四电阻，另一方面通过接0.02μF的电容接地，1IN-和1OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容串联至所述两个13.3欧姆之间，2IN+引脚一方面通过接一0.02μF的电容接地，另一方面依次串联另外两个13.3欧姆电阻以及一0.02μF的电容后连接1OUT引脚，2IN-和2OUT引脚连接后通过一0.02μF的电容连接至所述另外两个13.3欧姆电阻之间；
第二个NE5532：1IN+引脚一方面依次通过3个0.02μF的电容后连接1OUT引脚，另一方面连接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面连接一20欧姆的电阻后接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接1OUT，1OUT引脚串接一20欧姆的电阻后连接至所述3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间，2IN+引脚一方面依次串接另外三个0.02μF的电容后连接至第二个NE5532的1OUT，另一方面串接一20欧姆的电阻后接地，2IN-引脚一方面串接一20欧姆的电阻接地，另一方面串接一20欧姆的电阻后连接第二个NE5532的2OUT，2OUT作为所述放大电路的输出端，且通过一20欧姆的电阻连接至所述另外3个0.02μF的电容中靠近第二个NE5532的1IN+引脚的两个的中间。
4.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，发射信号、本地震荡信号、参考信号均为正弦信号。
5.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，发射信号频率为固定频率，取值范围为：0.1MHz～30MHz。
6.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，所述放大电路为两级放大电路。
7.根据权利要求1所述的基于相位检测的地质信号接收机，其特征在于，第一滤波电路51.1欧姆的电阻R7、0.1μF的电容C15、大小为1.825μH电感L6、0.1μF的电容C16，51.1欧姆的电阻R7的一端分别连接谐振电路的输出端和0.1μF的电容C15的一端，另一端接地，0.1μF的电容C15的另一端连接0.1μF的电容C16的一端且同时通过电感L6后接地，0.1μF的电容C16另一端连接AD831的RFP引脚。
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| Title |
|---|
| Phase Transitions in Recovery of Structured Signals from Corrupted Measurements;Z. Sun, W. Cui and Y. Liu;2021 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT);20210930;全文 * |
| 基于AD8302的高精度幅相检测系统的设计;刘静;马彦恒;;计算机测量与控制;20110225(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111323832A (zh) | 2020-06-23 |
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