CN111355450B - 一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法 - Google Patents

一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法，所述生成方法包括：S1、布置所述准正弦伪随机信号的发生装置，将长导线并接在输出端口上；S2、调制控制信号f1、f2、f3、f4的频率和占空比，控制信号f1和f3为相互交替的幅值相同、频率固定、占空比周期性变化的低频矩形方波，控制信号f4和f2为与所述控制信号f1和f3分别协同工作的幅值相同的高频矩形方波；S3、输出准正弦伪随机信号，所述准正弦伪随机信号为幅值相等，周期不相等的多个正向或负向正弦半波交替组成的周期性变化的伪随机信号。解决长导线对伪随机信号的传输的影响，适用于长导线传输。

Description

一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法
技术领域
本发明涉及信号发生技术领域，尤其涉及一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法。
背景技术
目前进行可控源电法勘探时，需要布设人工发射源，发射源是通过两个电极与大地地面连接，然后将发射机通过长导线与两个电极连接，从而形成发射回路。电流流过导线，会在导线的周围产生磁场。当导线电流变化时，这个磁场也会变化，变化的磁场会产生电场，根据楞次定律，这个电场将阻碍电流的变化，而阻碍电流变化的就是电感。当导线短、频率低的时候，这个现象不明显，但是可控源电法勘探时，布设的长导线距离通常为1km～2km，这样当频率超过100Hz时，电流就明显降低，严重影响高频信号的发射能力。如果缩短长导线的长度，但发射的信号强度也随之降低。因此，需要在不改变长导线的距离的前提下，克服长导线对伪随机信号的传输的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法，适用于长导线传输，克服长导线对伪随机信号的传输的影响，提高信号的发射效率。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种准正弦伪随机信号的发生装置，所述发生装置包括四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，滤波电容C1，滤波电感L1，两个端口和PWM发生器；第一个端口为电源，第二个端口为输出端口AB，并联滤波电容C1，连接关系为：Q1、Q3的一端连接电源的正极，Q1的另一端连接L1的一端和Q2的一端，L1的另一端连接C1的一端，Q3的另一端连接C1的另一端和Q4的一端，Q2、Q4的另一端连接电源的负极，开关管Q1、Q2、Q3、Q4分别接收来自PWM发生器的控制信号f1、f2、f3、f4，控制信号为1时，对应的开关管导通，控制信号为0时，对应的开关管截止。
优选地，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4包括IGBT或IPM或MOSFET，若开关管为IGBT/IPM，则开关管所述的一端为其集电极，所述的另一端为其发射极；若开关管为MOSFET，则开关管所述的一端为其漏极，所述的另一端为其源极。
优选地，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为存在反向并联的二极管D1、D2、D3、D4的开关管。
优选地，所述PWM发生器由微处理器编程实现。
本发明也公开了一种准正弦伪随机信号的生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、布置所述准正弦伪随机信号的发生装置，将长导线并接在输出端口上；
S2、调制控制信号f1、f2、f3、f4的频率和占空比，控制信号f1和f3为相互交替的幅值相同、频率固定、占空比周期性变化的低频矩形方波，控制信号f4和f2为与所述控制信号f1和f3分别协同工作的幅值相同的高频矩形方波；
S3、输出准正弦伪随机信号，所述准正弦伪随机信号为幅值相等，周期不相等的多个正向或负向正弦半波交替组成的周期性变化的伪随机信号。
进一步的，步骤S2中所述控制信号f1和f3为高电平与低电平相互交替，对应协同工作的所述控制信号f4和f2为有高频脉冲和无高频脉冲相互交替，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小；高频脉冲的占空比越大，输出信号经L1和C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大；高频脉冲的占空比越小，输出信号经L1和C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小。
进一步的，所述控制信号f1为0-t1时间为高电平，t1-t2时间为低电平，t2-t3时间为高电平，t3-t4时间为低电平的周期性变化的低频矩形方波；f4为0-t1时间有高频脉冲，t1-t2时间无高频脉冲，t2-t3时间有高频脉冲，t3-t4时间无高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；f3为0-t1时间为低电平，t1-t2时间为高电平，t2-t3时间为低电平，t3-t4时间为高电平的周期性变化的低频矩形方波；f2为0-t1时间无高频脉冲，t1-t2时间有高频脉冲，t2-t3时间无高频脉冲，t3-t4时间有高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；且在有高频脉冲时间内，高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小；且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。
进一步的，步骤S3所述的准正弦伪随机信号的波形在0-t1时间为正向正弦半波，t1-t2时间为负向正弦半波，t2-t3时间为正向正弦半波，t3-t4时间为负向正弦半波，且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明将长导线并接在准正弦伪随机信号发生装置的输出端口，滤波电感与滤波电容组成低通滤波器，使得转换得到的准正弦伪随机信号无阶跃波形，准正弦伪随机信号强度不随长导线距离的增加、信号频率的提高而衰减，适用于长导线传输；
(2)本发明的长导线电感与滤波电容组成低通滤波器也减少干扰造成的影响；
(3)本发明所述准正弦伪随机信号具备准正弦信号的特性，比矩形波更适用于阻性和感性负载，能量传递更平稳，应用范围广泛。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例一种准正弦伪随机信号发生装置的拓扑结构图；
图2为本发明实施例准正弦伪随机三频波及其控制信号的时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种准正弦伪随机信号的生成方法，包括以下步骤：
S1、布置所述准正弦伪随机信号的发生装置，将长导线并接在输出端口上；
所述准正弦伪随机信号发生装置如图1所示，包含四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，滤波电容C1，滤波电感L1，两个端口和PWM发生器；第一个端口为电源，第二个端口为输出端口AB，并联滤波电容C1，连接关系为：Q1、Q3的一端连接电源的正极，Q1的另一端连接L1的一端和Q2的一端，L1的另一端连接C1的一端，Q3的另一端连接C1的另一端和Q4的一端，Q2、Q4的另一端连接电源的负极，开关管Q1、Q2、Q3、Q4接收来自PWM发生器的控制信号，所述PWM发生器由微处理器编程实现。
开关管Q1、Q2、Q3、Q4为存在反向并联的二极管D1、D2、D3、D4的开关管，包括IGBT或IPM或MOSFET，若开关管为IGBT/IPM，则开关管所述的一端为其集电极，所述的另一端为其发射极；若开关管为MOSFET，则开关管所述的一端为其漏极，所述的另一端为其源极；开关管Q1、Q2、Q3、Q4分别接收来自PWM发生器的控制信号f1、f2、f3、f4，控制信号为1时，对应的开关管导通，控制信号为0时，对应的开关管截止。
S2、调制控制信号f1、f2、f3、f4的频率和占空比，控制信号f1和f3为相互交替的幅值相同、频率固定、占空比周期性变化的低频矩形方波，控制信号f4和f2为与所述控制信号f1和f3分别协同工作的幅值相同的高频矩形方波；
实施例一为通过调制生成的准正弦伪随机三频波，开关管Q1～Q4均为IGBT，PWM发生器产生开关管Q1、Q2、Q3、Q4对应需要的控制信号f1、f2、f3、f4，如图2所示，所述控制信号f1和f3为相互交替的幅值相同、频率固定、占空比周期性变化的低频矩形方波；f1为0-t1时间为高电平，t1-t2时间为低电平，t2-t3时间为高电平，t3-t4时间为低电平的周期性变化的低频矩形方波；f3为0-t1时间为低电平，t1-t2时间为高电平，t2-t3时间为低电平，t3-t4时间为高电平的周期性变化的低频矩形方波。控制信号f4和f2为与所述控制信号f1和f3分别协同工作的幅值相同的高频矩形方波；f4为0-t1时间有高频脉冲，t1-t2时间无高频脉冲，t2-t3时间有高频脉冲，t3-t4时间无高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；f2为0-t1时间无高频脉冲，t1-t2时间有高频脉冲，t2-t3时间无高频脉冲，t3-t4时间有高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；在有高频脉冲时间内，高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小；且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。
S3、输出准正弦伪随机信号，所述准正弦伪随机信号为幅值相等，周期不相等的多个正向或负向正弦半波交替组成的周期性变化的伪随机信号。准正弦伪随机信号的波形即为常规伪随机信号的矩形波替换为准正弦波。伪随机信号根据具有的主频点个数N，也叫伪随机N频波，N≥2，且N个主频点之间的间隔能改变。
实施例一为输出一种准正弦伪随机三频波，如图2所示，
在t0～t1时刻f2、f3输出0，Q2、Q3开关管截止，f1输出1，Q1开关管导通，f4输出根据事先内置的频率和占空比输出占空比可调的幅值相等的高频脉冲，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小，以t0～t1的中间时刻左右对称；高频脉冲的占空比越大，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大，高频脉冲的占空比越小，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小，而AB端的电流方向为顺时针方向，再根据面积等效原理，滤波后输出端口AB生成正向正弦半波。
在t1～t2时刻，f1、f4输出0，Q1、Q4开关管截止，f3输出1，Q3开关管导通，f2输出根据事先内置的频率和占空比输出占空比可调的幅值相等的高频脉冲，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小，脉冲宽度以t1～t2的中间时刻左右对称，高频脉冲的占空比越大，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大，高频脉冲的占空比越小，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小，而AB端的电流方向为逆时针方向，再根据面积等效原理，输出端口AB生成负向正弦半波。
在t2～t3时刻，f2、f3输出0，Q2、Q3开关管截止，f1输出1，Q1开关管导通，f4输出根据事先内置的频率和占空比输出占空比可调的幅值相等的高频脉冲，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小，脉冲宽度以t2～t3的中间时刻左右对称，高频脉冲的占空比越大，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大，高频脉冲的占空比越小，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小，而AB端的电流方向为顺时针方向，再根据面积等效原理，输出端口AB生成正向正弦半波。
在t3～t4时刻，f1、f4输出0，Q1、Q4开关管截止，f3输出1，Q3开关管导通，f2输出根据事先内置的频率和占空比输出占空比可调的幅值相等的高频脉冲，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小，脉冲宽度以t3～t4的中间时刻左右对称，高频脉冲的占空比越大，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大，高频脉冲的占空比越小，输出信号经滤波电感L1和滤波电容C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小，而AB端的电流方向为逆时针方向，再根据面积等效原理，输出端口AB生成负向正弦半波。
在t4～t5时刻，与t0～t1时刻的波形相同，以此类推，因此输出端口AB输出的准正弦伪随机信号的波形如W2波形所示，0-t1时间为正向正弦半波，t1-t2时间为负向正弦半波，t2-t3时间为正向正弦半波，t3-t4时间为负向正弦半波，且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。W1波形为W2对应的常规伪随机信号，具有3个主频点，因此，W2为一种准正弦伪随机三频波，由于其准正弦特性，生成的该随机信号强度不随长导线距离的增加、信号频率的提高而衰减。
在实施例二中，f4和f1波形相同，f2和f3波形相同，f1和f3为有高频脉冲和无高频脉冲相互交替的幅值相同、交替频率固定、占空比周期性变化的高频矩形方波，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小，与实施例一相同，同样调制生成0-t1时间为正向正弦半波，t1-t2时间为负向正弦半波，t2-t3时间为正向正弦半波，t3-t4时间为负向正弦半波，且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期的准正弦伪随机信号。
在实施例三中，准正弦伪随机信号的波形也可以是将其它三频波、五频波或多频波的常规伪随机信号的矩形波替换成正弦半波的波形，通过调制得到。
因此，滤波电容L1和滤波电容C1组成了低通滤波器，将矩形波滤波生成准正弦波，无矩形等阶跃波形，且减少干扰造成的影响，从而使得准正弦伪随机信号的强度不随长导线距离的增加、信号频率的提高而衰减。
综上可知，通过上述的一种准正弦伪随机信号的发生装置及其生成方法具有以下优点：
(1)本发明将长导线并接在准正弦伪随机信号发生装置的输出端口，滤波电感与滤波电容组成低通滤波器，使得转换得到的准正弦伪随机信号无阶跃波形，准正弦伪随机信号强度不随长导线距离的增加、信号频率的提高而衰减，适用于长导线传输；
(2)本发明的长导线电感与滤波电容组成低通滤波器也减少干扰造成的影响；
(3)本发明所述准正弦伪随机信号具备准正弦信号的特性，比矩形波更适用于阻性和感性负载，能量传递更平稳，应用范围更广泛；
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种准正弦伪随机信号发生装置的生成方法，其特征在于，所述发生装置包括四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，滤波电容C1，滤波电感L1，两个端口和PWM发生器；第一个端口为电源，第二个端口为输出端口AB，并联滤波电容C1，连接关系为：Q1、Q3的一端连接电源的正极，Q1的另一端连接L1的一端和Q2的一端，L1的另一端连接C1的一端，Q3的另一端连接C1的另一端和Q4的一端，Q2、Q4的另一端连接电源的负极，开关管Q1、Q2、Q3、Q4分别接收来自PWM发生器的控制信号f1、f2、f3、f4，控制信号为1时，对应的开关管导通，控制信号为0时，对应的开关管截止；
所述方法包括以下步骤：
S1、布置准正弦伪随机信号的发生装置，将长导线并接在输出端口上；
S2、调制控制信号f1、f2、f3、f4的频率和占空比，控制信号f1和f3为相互交替的幅值相同、频率固定、占空比周期性变化的低频矩形方波，控制信号f4和f2为与所述控制信号f1和f3分别协同工作的幅值相同的高频矩形方波；
S3、输出准正弦伪随机信号，所述准正弦伪随机信号为幅值相等，周期不相等的多个正向或负向正弦半波交替组成的周期性变化的伪随机信号。
2.根据权利要求1所述的一种准正弦伪随机信号发生装置的生成方法，其特征在于，步骤S2中所述控制信号f1和f3为高电平与低电平相互交替，对应协同工作的所述控制信号f4和f2为有高频脉冲和无高频脉冲相互交替，且高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小；高频脉冲的占空比越大，输出信号经L1和C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越大；高频脉冲的占空比越小，输出信号经L1和C1组成的滤波器滤波后的输出值的绝对值越小。
3.根据权利要求2所述的一种准正弦伪随机信号发生装置的生成方法，其特征在于，所述控制信号f1为0-t1时间为高电平，t1-t2时间为低电平，t2-t3时间为高电平，t3-t4时间为低电平的周期性变化的低频矩形方波；f4为0-t1时间有高频脉冲，t1-t2时间无高频脉冲，t2-t3时间有高频脉冲，t3-t4时间无高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；f3为0-t1时间为低电平，t1-t2时间为高电平，t2-t3时间为低电平，t3-t4时间为高电平的周期性变化的低频矩形方波；f2为0-t1时间无高频脉冲，t1-t2时间有高频脉冲，t2-t3时间无高频脉冲，t3-t4时间有高频脉冲的周期性变化的高频矩形方波；且在有高频脉冲时间内，高频脉冲的占空比先逐渐增大，再逐渐减小；且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。
4.根据权利要求1所述的一种准正弦伪随机信号发生装置的生成方法，其特征在于，步骤S3所述的准正弦伪随机信号的波形在0-t1时间为正向正弦半波，t1-t2时间为负向正弦半波，t2-t3时间为正向正弦半波，t3-t4时间为负向正弦半波，且t1＝(t4-t3)，(t2-t1)＝(t3-t2)，t1≠(t2-t1)，t4时间长为一个循环周期。
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