王小波， 燕 斌， 劉京科， 張 鵬

(中煤科工集團 西安研究院， 陜西 西安 710077)

0 引言

地球物理勘探儀器按照要求，需要定期對儀器進行自檢，以此保證儀器的可靠性，礦用瑞利波探測儀是用于煤礦井下地質小構造探測[1-3]，是利用Rayleigh的瞬態(tài)法原理工作[4,5].礦用物探儀器目前還沒有強制要求，但是對儀器進行自檢是保證儀器可靠性的前提，就是通常說的年檢、月檢、日檢，礦用儀器大多沒有進行自檢.本設計采用函數發(fā)生器ICL8038 聯結少量外部元件組成瑞利波自檢裝置，利用自檢裝置來模擬信號源產生標準信號，通過安裝到瑞利波探測儀主機系統(tǒng)的專用測試軟件進行自檢，確認儀器是否滿足現場探查要求.設計采用的波形發(fā)生專用芯片ICL8038有以下特性：它是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片, 外部只需接入很少的元件即可工作，可同時產生方波、高線性度三角波和低失真度正弦波；在溫度發(fā)生變化時，產生低的頻率漂移、占空比可調，電平輸出范圍寬，易于使用，且具有電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高等優(yōu)點[6,7].

1 系統(tǒng)方案

1.1 設計思路

瑞利波探測儀工作原理如圖1所示.

圖1 瑞利波探測原理

瑞利波探測儀主機為檢波器提供了雙電源供電，電源電壓為±8 V，加速度檢波器輸出差分信號[8]，單路最大允許電流350 mA.本裝置的設計思路利用探測儀主機的航空接插件中供電和檢波器信號采集端子來完成主機自檢，航空接插件中的正負電源滿足自檢裝置中電路供電要求，電路設計重點是根據檢測項目的要求調整自檢裝置的頻率和電壓幅值，設計思路如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)設計框圖

本設計是利用多觸點開關進行檔位選擇，一路按照預先設計好的相應電容組，根據所需頻率段選擇相應的電容.另一路與電壓跟隨器反饋回路配合輸出檢測所需的幅值，組成瑞利波自檢裝置.

1.2 ICL8038技術指標

圖3 ICL8038管腳圖

ICL8038芯片采用雙列直插式陶瓷封裝, 共有14 個管腳, 各管腳主要功能如圖3所示[8].腳1和腳12為正弦波失真度調整端，腳2為正弦波輸出端，腳3為三角波輸出端，腳4和腳5為占空比調整端，腳6和腳11為正負電源輸入端，腳7為內部頻率調節(jié)偏置電壓的輸出端，腳8為外部頻率調整信號的輸入端，腳9為方波輸出端，腳10為外接電容的接入端，腳13 、14是空腳.ICL8038主要技術指標：頻率產生范圍0.001 Hz～300 kHz；頻率溫漂50 ppm/℃(1 ppm=10-6)；采用正負電源供電時，供電電壓范圍±5 V～±15 V；正弦波失真度<0.5%；占空比調節(jié)范圍寬D=1%～99%.

1.3 工作原理

ICL8038芯片內部包括兩個電壓比較器Ⅰ、Ⅱ，兩個緩沖器1、2，正弦波變換器，模擬開關S，RS 觸發(fā)器，兩個恒流源I1、I2，恒流源恒流值要求I2=2I1，ICL8038內部框圖如圖4所示[9].

圖4 ICL8038內部框圖

ICL8038做信號發(fā)生器時，腳7和腳8短接.通電時比較器Ⅰ和比較器Ⅱ的輸出電壓均為低電平； RS觸發(fā)器的輸出Q端為低電平，開關S仍處于斷開狀態(tài).電流源I1對電容C充電，一直上升到2/3 V+時，比較器Ⅰ的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖?，Q才變?yōu)楦唠娖?，電子開關S閉合，電容C開始放電，放電電流為I2，此時I1對電容正向充電，I2對電容反向放電，實際電流I=I2- I1= I1.電容電壓的下降雖然使RS觸發(fā)器的S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖剑漭敵霾蛔?一直到電容電壓下降到1/3 V+，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖?，Q才變?yōu)榈碗娖?，使得電子開關S斷開，電容C又開始充電.

周而復始，電路產生了自激振蕩.改變RA、RB或電容C的數值，就改變芯片的輸出頻率.改變RA和RB的數值可改變矩形波的占空比，RA和RB值相等時占空比為50%.

2 電路設計與調試

2.1 硬件電路設計

瑞利波探測儀傳感器航空接插件提供了±8 V電源，電源按照本安參數要求[10,11]具有約5.6 W的帶載能力，單路最大允許電流350 mA.電路設計中直接采用傳感器電源對電路供電，由ICL8038芯片振蕩產生滿足自檢要求的正弦信號.硬件電路設計包括信號產生電路、頻率選擇部分、信號幅值縮小電路、電源顯示部分等組成.信號的頻率由調整電阻和外接電容組、切換開關來實現，外接電容組將范圍控制在兩個頻率范圍檔，再由調整電阻進行調頻.調整信號的幅值由信號幅值縮小電路通來實現，電路設計如圖5所示.

圖5 硬件電路設計

2.2 參數設定調試

瑞利波自檢軟件要求對最大信號，信號頻率、一致性、換擋誤差、道間串音、動態(tài)范圍等進行自檢，自檢裝置的信號頻率和信號幅值[12]要求大致值如表1所示.

表1 自檢信號頻率幅值要求

自檢裝置設計按照自檢軟件需求進行相應的頻率輸出設計，從電路原理可以看出，頻率由電路中電容的充電時間T1和放電時間T2來決定，電容的充放電時間分別為：

(1)

(2)

自檢裝置產生的信號要求占空比為50%的正弦信號，即電容的充放電時間相等RA=RB，正弦信號輸出端的信號頻率為：

(3)

按照上述公式可以計算滿足自檢要求頻率選用接近合適頻率范圍的電容值見表2.頻率調整電阻按照瑞利波自檢軟件要求進行頻段范圍確定，如表1所示，因此在實際電路設計中采用電容分兩檔，電阻分四檔的方法進行調頻，如表2所示.電容頻段調整通過J2接口由裝置面板上的專用的選擇開關1的切換，電阻頻率調整通過J2接口由裝置面板上的專用的選擇開關2的切換，按照自檢軟件提示進行相應的頻率換擋.信號幅度的調整由信號縮放電路的縮放倍數來決定，幅度可從儀器自檢程序進行初判，最大值和最小值設計按照調整電位器的極限值設定.

表2 頻率范圍與電容對應值

3 試驗

信號指標測試需要將自檢裝置和瑞利波探測儀主機傳感器接插件連接，打開主機上的自檢軟件，按照軟件提示要求，選擇不同的頻率檔.1 Hz、20 Hz、30 Hz調頻電容選擇4.7μF檔，調頻電阻在1、2、3檔之間進行切換.100 Hz、200 Hz、500 Hz調頻電容選擇0.47μF檔，調頻電阻在1、2、4檔之間進行切換.自檢裝置的輸出信號進行測定，見表3.

表3 輸出信號測量

試驗采用信號源和自檢裝置分別接到瑞利波探測儀主機上，按儀器自檢軟件要求進行指標測試，測試結果見表4.由于瑞利波探測儀道數多，檢測列表中所記錄的值為該項指標最大值.

表4 技術指標測試比對

通過實際的檢測，電源采用正負供電，信號輸出中要求的最大信號幅值為2.9 V，滿足幅值要求.頻率通過切換電容值實現，測試自檢裝置能夠滿足主機系統(tǒng)的自檢要求.

4 結論

由ICL8038為主要器件組成的瑞利波自檢裝置無需設計專用電源，利用傳感器正負電源即可進行工作.電路調試中，對于電阻調頻部分的設計需要通過電位器調整，電阻組合匹配來實現.完成的自檢裝置體積小，無需附帶電源、便于攜帶、電路可靠性高.輸出信號的頻率、幅值符合設計指標，通過實際自檢測試，滿足儀器自檢要求.

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