CN112003590A - 一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路及产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，它包括IGBT开关电路；IGBT开关电路用于产生两次幅值相同极性相反，经过SPWM调制的矩形波信号加载到负载上，其包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块共同连接到负载的两端；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括两个级联的三极管，四个三极管连接成一个环形回路。本发明的优点在于：将IGBT大功率管用作井间电磁信号源的开关管能够有效的增大井间电磁天线的辐射功率，使得井间电磁探测系统的信号能够辐射得更远；辐射信号波形为正弦波，能够有效地减少由于电压变化而引起的天线阻抗对于信号能量的损耗，而且相对于方波而言能够包含更多的相位和幅值信息，进而包含更多的井间地质信息。

Description

一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路及产生方法
技术领域
本发明涉及井间电磁探测领域，尤其涉及一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路及产生方法。
背景技术
井间电磁探测自从被发现能应用于探地以来已发展多年，但是在探地和测井领域仍然是一种比较新颖的技术；在地质勘探中，电磁勘测是一种常用的方法，通过获取大敌对摄入人工电场、磁场的响应，得到地表下的矿体或者地质体电导率结构信息的方法；井间电磁探测是利用在一口井中发射低频电磁波(一般频率为5Hz-1MHz不等)，在另一口或者几口井中接收电磁波，通过分析电磁波的相位以及幅值变化计算出电导率进而判断出发射井与接收井之间地质的介质构成。
现阶段的井间电磁探测信号源的设计多为直接搭建模拟电路，通过开关器件，如通过IGBT功率管的通断来实现波形的产生；但是目前搭建电路的方式所产生的波形比较单一，大部分都是方波信号，而方波信号相对于正弦波谐波分量较多，所携带的信息有限，而且如果要更改频率则需要重新设计脉冲展宽电路，进而也存在频率更改困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路及产生方法，解决了目前搭建的电路产生的信号存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，它包括IGBT开关电路；所述IGBT开关电路用于产生两次幅值相同极性相反，经过SPWM调制的矩形波信号加载到负载上，其包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块共同连接到负载的两端；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括两个级联的三极管，四个三极管连接成一个环形回路。
进一步地，所述第一IGBT模块包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的发射极连接所述第二三极管的集电极；在所述第一三极管的基极端设置有电压加载点4，发射极端设置有电压加载点5；在所述第二三极管的基极端设置有电压加载点6，发射极端设置有电压加载点7。
进一步地，所述第二IGBT模块包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的发射极连接所述第四三极管的集电极；在所述第三三极管的基极端设置有电压加载点4＇，发射极端设置有电压加载点5＇；在所述第四三极管的基极端设置有电压加载点6＇，发射极端设置有电压加载点7＇。
进一步地，所述第一三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第四三极管的发射极连接形成一个环形回路；负载连接到所述第一三极管和第二三极管的连接端点与所述第三三极管和第四三极管的连接端点之间；在所述第一三极管和第三三极管的连接端与所述第二三极管和第四三极管的连接端设置有直流电压加载点。
进一步地，还包括驱动模块和控制模块；所述驱动模块输出正负电压到所述IGBT开关电路实现驱动，所述控制模块输出SPWM调制方波作为所述IGBT开关电路的控制电压波形。
一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，所述信号产生方法包括：
控制模块输出4路控制电压加载到IGBT开关电路的电压加载点4、5，4＇、5＇，6、7，6＇、7＇上，同时将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号，对所述IGBT开关电路产生的信号进行SPWM调制，最终产生幅值相同极性相反且经过SPWM调制的矩形波信号加载到天线负载上，经SPWM调制的信号通过天线辐射之后变为正弦信号。
进一步地，所述IGBT开关电路产生经SPWM调制的信号包括：在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上正向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上负向控制电压，此时第一三极管和第四三极管导通，电流顺着第一三极管和第四三极管的导通方向流动并加载到负载天线上；在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上负向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上正向控制电压，此时第三三极管和第二三极管导通，电流顺着第三三极管和第二三极管的导通方向流动并加载负载天线上；进而在负载天线端就能够形成经SPWM调制的双极性矩形波信号。
进一步地，所述通过采样生成正弦波包括：通过MATLAB在一个周期的正弦波上采集点，将采集的点保存到控制模块中，并按照一个时钟输出一个点的模式经过DAC变换后输出正弦波；通过调整控制模块中时钟的分频实现对输出频率的调整。
进一步地，所述将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号包括：当三角波的幅值大于正弦波的幅值时，所述控制模块输出低电平；当三角波的幅值小于正弦波的幅值时，令所述控制模块输出高电平；经过一个周期的比较输出后就能输出间距按照正弦规律变化的矩形波。
进一步地，所述信号生成方法还包括在所述IGBT开关电路生成幅值相同极性相反且经过SPWM调制的矩形波信号之前，对所述IGBT开关电路两端加载直流电压的步骤，提高所述IGBT开关电路的发射功率。
本发明的有益效果为：
1、将IGBT大功率管用作井间电磁信号源的开关管能够有效的增大井间电磁天线的辐射功率，使得井间电磁探测系统的信号能够辐射得更远；
2、辐射信号波形为正弦波，能够有效地减少由于电压变化而引起的天线阻抗对于信号能量的损耗，而且相对于方波而言能够包含更多的相位和幅值信息，进而包含更多的井间地质信息；
3、由于采用数字控制方式而非直接由模拟电路搭建，因此能够修改辐射正弦波的频率，且对于波形的辐射相位能够更加精确，也能够生成死区时间，对开关器件产生更好的保护。
附图说明
图1为本发明的IGBT开关电路图；
图2为MATLAB采样点生成的正弦波图像；
图3为三角波与正弦波比较生成SPWM波；
图4为SPWM波的死区时间示意图；
图5为上升沿部分的死区时间生成示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示，一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，它包括IGBT开关电路；所述IGBT开关电路用于产生两次幅值相同极性相反，经过SPWM调制的矩形波信号加载到负载上，其包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块共同连接到负载的两端；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括两个级联的三极管，四个三极管连接成一个环形回路。
进一步地，还包括驱动模块和控制模块；驱动模块选用EXB841，输入电压20V，输出正电压15V，负电压5V作为IGBT开关电路的驱动电压；控制模块为FPGA控制板，用于实现输出SPWM调制方波作为IGBT开关电路的控制电压波形。
其中，所述第一IGBT模块包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的发射极连接所述第二三极管的集电极；在所述第一三极管的基极端设置有电压加载点4，发射极端设置有电压加载点5；在所述第二三极管的基极端设置有电压加载点6，发射极端设置有电压加载点7；
所述第二IGBT模块包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的发射极连接所述第四三极管的集电极；在所述第三三极管的基极端设置有电压加载点4＇，发射极端设置有电压加载点5＇；在所述第四三极管的基极端设置有电压加载点6＇，发射极端设置有电压加载点7＇。
所述第一三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第四三极管的发射极连接形成一个环形回路；负载连接到所述第一三极管和第二三极管的连接端点与所述第三三极管和第四三极管的连接端点之间；在所述第一三极管和第三三极管的连接端与所述第二三极管和第四三极管的连接端设置有直流电压加载点。
其中3、3＇、1、1＇分别是四个三极管的集电极，用来接收直流电流，2、2＇为下面两个三极管的发射极，将他们与接地点相连形成发射极集电极正偏。
实施例2
本发明还包括一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，所述信号产生方法包括：
负载天线加载之后，在IGBT开关电路的两端加载直流电压，可以是发射的最高电压达到1200V，电流20A，进而使得发射功率大大提高；
FPGA控制板输出4路控制电压加载到IGBT开关电路的电压加载点4、5，4＇、5＇，6、7，6＇、7＇上，同时将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号，对所述IGBT开关电路产生的信号进行SPWM调制，最终产生幅值相同极性相反且经过SPWM调制的矩形波信号加载到天线负载上，经SPWM调制的信号通过天线辐射之后变为正弦信号。
相对于其他方案的波形，本发明选择正弦波的优点在于，正弦波包含更多的电导率信息，而且相对于方波而言使得天线产生的阻抗更小，天线的辐射效率更高；而且此方案的优势还有正弦波可以根据上述的公式调整所需的发射频率；并且相对于其他的方式，此方法生成了死区时间，能对于开关器件产生更好的保护。
进一步地，所述IGBT开关电路产生经SPWM调制的信号包括：在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上正向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上负向控制电压，此时第一三极管和第四三极管导通，电流顺着图2中的实线方向流动并加载到负载天线上；在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上负向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上正向控制电压，此时第三三极管和第二三极管导通，电流顺着图2中的虚线方向流动并加载负载天线上；这样当电压加载点4、5和6＇、7＇两端开启的时候，电流顺着实线流动，在电压加载点4＇、5＇和6、7两端开启时，电流顺着虚线流动，这样就能够在负载天线端就能够形成经SPWM调制的双极性矩形波信号。双极性的波形相对于传统的单极性波形的精确性更高，动态性能更优越。
如图2所示，由MATLAB在一个周期的正弦波上面采集2048个点之后由这些点生成的正弦波图像；采集的这些点保存到FPGA的存储模块中，按照一个时钟输出一个点的模式，经过DAC变换之后就会输出正弦波；而此时输出的正弦波并不是IGBT开关电路所需的控制信号为SPWM调制的矩形波，而需要在FPGA内部跟三角波比较之后才能生成SPWM调制矩形波，其中通过改变两个时钟点之间的输出时间，能够调整输出正弦波的频率；具体根据以下公式调整FPGA控制板时钟的分频实现输出频率的调整；
Figure BDA0002569709320000061
其中，N表示时钟分频数，F表示所需的输出频率，f表示时钟频率，n表示MATLAB中正弦波采用点数。
如图3所示，当三角波的幅值大于正弦波的幅值时，令FPGA输出低电平；当三角波的幅值小于正弦波的幅值时，令FPGA输出高电平；这样经过一个周期的比较输出之后就能输出间距按着正弦规律变化的矩形波，通过EXB841驱动模块将电压升高到正15V，负5V的驱动电压加载到IGBT开关电路上，开关电路就会跟着生成按正弦规律变化的双极性矩形波；FPGA输出4路经过SPWM调制的信号，其中每两路的波形完全一样，一样的波形加载到如图2中电流实现流动方向的两个三极管或者虚线流动方向的两个三极管上，另两路加载到另外两个三极管上。
进一步地，所述将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号包括：当三角波的幅值大于正弦波的幅值时，所述控制模块输出低电平；当三角波的幅值小于正弦波的幅值时，令所述控制模块输出高电平；经过一个周期的比较输出后就能输出间距按照正弦规律变化的矩形波。
如图4所示，因为IGBT开关电路打开和关闭的时候都需要一定的时间，所以需要根据IGBT开关电路的具体情况合适的死区时间；死区时间即当一个三极管关闭一定时间之后再打开另一个电流方向的三极管，以防前一阶段的三极管还没有完全关闭就打开下一阶段的三极管，进而造成输出电流和电压的紊乱，波形不按照实际的正弦规律变化。
如图5所示，上升沿部分的死区时间生成如图，下降沿部分的死区时间生成同理；当生成一路SPWM调制信号之后，输出另一路将前述的SPWM调制信号延迟一定时间输出的SPWM调制信号，然后采集第二路波形的上升沿作为死区输出波形的上升沿，采集第一路输出的下降沿作为死区输出波形的下降沿，进而形成图4中的死区波形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，其特征在于：它包括IGBT开关电路；所述IGBT开关电路用于产生两次幅值相同极性相反，经过SPWM调制的矩形波信号加载到负载上，其包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块共同连接到负载的两端；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括两个级联的三极管，四个三极管连接成一个环形回路。
2.根据权利要求1所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，其特征在于：所述第一IGBT模块包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的发射极连接所述第二三极管的集电极；在所述第一三极管的基极端设置有电压加载点4，发射极端设置有电压加载点5；在所述第二三极管的基极端设置有电压加载点6，发射极端设置有电压加载点7。
3.根据权利要求2所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，其特征在于：所述第二IGBT模块包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的发射极连接所述第四三极管的集电极；在所述第三三极管的基极端设置有电压加载点4＇，发射极端设置有电压加载点5＇；在所述第四三极管的基极端设置有电压加载点6＇，发射极端设置有电压加载点7＇。
4.根据权利要求3所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，其特征在于：所述第一三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第四三极管的发射极连接形成一个环形回路；负载连接到所述第一三极管和第二三极管的连接端点与所述第三三极管和第四三极管的连接端点之间；在所述第一三极管和第三三极管的连接端与所述第二三极管和第四三极管的连接端设置有直流电压加载点。
5.根据权利要求4所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路，其特征在于：还包括驱动模块和控制模块；所述驱动模块输出正负电压到所述IGBT开关电路实现驱动，所述控制模块输出SPWM调制方波作为所述IGBT开关电路的控制电压波形。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，其特征在于：所述信号产生方法包括：
控制模块输出4路控制电压加载到IGBT开关电路的电压加载点4、5，4＇、5＇，6、7，6＇、7＇上，同时将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号，对所述IGBT开关电路产生的信号进行SPWM调制，最终产生幅值相同极性相反且经过SPWM调制的矩形波信号加载到天线负载上，经SPWM调制的信号通过天线辐射之后变为正弦信号。
7.根据权利要求6所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，其特征在于：所述IGBT开关电路产生经SPWM调制的信号包括：在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上正向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上负向控制电压，此时第一三极管和第四三极管导通，电流顺着第一三极管和第四三极管的导通方向流动并加载到负载天线上；在电压加载点4、5和6＇、7＇上加上负向控制电压，在电压加载点4＇、5＇和6、7上加上正向控制电压，此时第三三极管和第二三极管导通，电流顺着第三三极管和第二三极管的导通方向流动并加载负载天线上；进而在负载天线端就能够形成经SPWM调制的双极性矩形波信号。
8.根据权利要求6所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，其特征在于：所述通过采样生成正弦波包括：通过MATLAB在一个周期的正弦波上采集点，将采集的点保存到控制模块中，并按照一个时钟输出一个点的模式经过DAC变换后输出正弦波；通过调整控制模块中时钟的分频实现对输出频率的调整。
9.根据权利要求6所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，其特征在于：所述将在控制模块内部通过计时器产生三角波与通过采样生成的正弦波进行比较产生所述控制电压所需的SPWM信号包括：当三角波的幅值大于正弦波的幅值时，所述控制模块输出低电平；当三角波的幅值小于正弦波的幅值时，令所述控制模块输出高电平；经过一个周期的比较输出后就能输出间距按照正弦规律变化的矩形波。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的一种用于井间电磁的大功率正弦信号产生电路的信号产生方法，其特征在于：所述信号生成方法还包括在所述IGBT开关电路生成幅值相同极性相反且经过SPWM调制的矩形波信号之前，对所述IGBT开关电路两端加载直流电压的步骤，提高所述IGBT开关电路的发射功率。
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