王小波， 燕 斌， 刘京科， 张 鹏

(中煤科工集团 西安研究院， 陕西 西安 710077)

0 引言

地球物理勘探仪器按照要求，需要定期对仪器进行自检，以此保证仪器的可靠性，矿用瑞利波探测仪是用于煤矿井下地质小构造探测[1-3]，是利用Rayleigh的瞬态法原理工作[4,5].矿用物探仪器目前还没有强制要求，但是对仪器进行自检是保证仪器可靠性的前提，就是通常说的年检、月检、日检，矿用仪器大多没有进行自检.本设计采用函数发生器ICL8038 联结少量外部元件组成瑞利波自检装置，利用自检装置来模拟信号源产生标准信号，通过安装到瑞利波探测仪主机系统的专用测试软件进行自检，确认仪器是否满足现场探查要求.设计采用的波形发生专用芯片ICL8038有以下特性：它是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片, 外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、高线性度三角波和低失真度正弦波；在温度发生变化时，产生低的频率漂移、占空比可调，电平输出范围宽，易于使用，且具有电源电压范围宽、稳定度高、精度高等优点[6,7].

1 系统方案

1.1 设计思路

瑞利波探测仪工作原理如图1所示.

图1 瑞利波探测原理

瑞利波探测仪主机为检波器提供了双电源供电，电源电压为±8 V，加速度检波器输出差分信号[8]，单路最大允许电流350 mA.本装置的设计思路利用探测仪主机的航空接插件中供电和检波器信号采集端子来完成主机自检，航空接插件中的正负电源满足自检装置中电路供电要求，电路设计重点是根据检测项目的要求调整自检装置的频率和电压幅值，设计思路如图2所示.

图2 系统设计框图

本设计是利用多触点开关进行档位选择，一路按照预先设计好的相应电容组，根据所需频率段选择相应的电容.另一路与电压跟随器反馈回路配合输出检测所需的幅值，组成瑞利波自检装置.

1.2 ICL8038技术指标

图3 ICL8038管脚图

ICL8038芯片采用双列直插式陶瓷封装, 共有14 个管脚, 各管脚主要功能如图3所示[8].脚1和脚12为正弦波失真度调整端，脚2为正弦波输出端，脚3为三角波输出端，脚4和脚5为占空比调整端，脚6和脚11为正负电源输入端，脚7为内部频率调节偏置电压的输出端，脚8为外部频率调整信号的输入端，脚9为方波输出端，脚10为外接电容的接入端，脚13 、14是空脚.ICL8038主要技术指标：频率产生范围0.001 Hz～300 kHz；频率温漂50 ppm/℃(1 ppm=10-6)；采用正负电源供电时，供电电压范围±5 V～±15 V；正弦波失真度<0.5%；占空比调节范围宽D=1%～99%.

1.3 工作原理

ICL8038芯片内部包括两个电压比较器Ⅰ、Ⅱ，两个缓冲器1、2，正弦波变换器，模拟开关S，RS 触发器，两个恒流源I1、I2，恒流源恒流值要求I2=2I1，ICL8038内部框图如图4所示[9].

图4 ICL8038内部框图

ICL8038做信号发生器时，脚7和脚8短接.通电时比较器Ⅰ和比较器Ⅱ的输出电压均为低电平； RS触发器的输出Q端为低电平，开关S仍处于断开状态.电流源I1对电容C充电，一直上升到2/3 V+时，比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平，电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为I2，此时I1对电容正向充电，I2对电容反向放电，实际电流I=I2- I1= I1.电容电压的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变.一直到电容电压下降到1/3 V+，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平，使得电子开关S断开，电容C又开始充电.

周而复始，电路产生了自激振荡.改变RA、RB或电容C的数值，就改变芯片的输出频率.改变RA和RB的数值可改变矩形波的占空比，RA和RB值相等时占空比为50%.

2 电路设计与调试

2.1 硬件电路设计

瑞利波探测仪传感器航空接插件提供了±8 V电源，电源按照本安参数要求[10,11]具有约5.6 W的带载能力，单路最大允许电流350 mA.电路设计中直接采用传感器电源对电路供电，由ICL8038芯片振荡产生满足自检要求的正弦信号.硬件电路设计包括信号产生电路、频率选择部分、信号幅值缩小电路、电源显示部分等组成.信号的频率由调整电阻和外接电容组、切换开关来实现，外接电容组将范围控制在两个频率范围档，再由调整电阻进行调频.调整信号的幅值由信号幅值缩小电路通来实现，电路设计如图5所示.

图5 硬件电路设计

2.2 参数设定调试

瑞利波自检软件要求对最大信号，信号频率、一致性、换挡误差、道间串音、动态范围等进行自检，自检装置的信号频率和信号幅值[12]要求大致值如表1所示.

表1 自检信号频率幅值要求

自检装置设计按照自检软件需求进行相应的频率输出设计，从电路原理可以看出，频率由电路中电容的充电时间T1和放电时间T2来决定，电容的充放电时间分别为：

(1)

(2)

自检装置产生的信号要求占空比为50%的正弦信号，即电容的充放电时间相等RA=RB，正弦信号输出端的信号频率为：

(3)

按照上述公式可以计算满足自检要求频率选用接近合适频率范围的电容值见表2.频率调整电阻按照瑞利波自检软件要求进行频段范围确定，如表1所示，因此在实际电路设计中采用电容分两档，电阻分四档的方法进行调频，如表2所示.电容频段调整通过J2接口由装置面板上的专用的选择开关1的切换，电阻频率调整通过J2接口由装置面板上的专用的选择开关2的切换，按照自检软件提示进行相应的频率换挡.信号幅度的调整由信号缩放电路的缩放倍数来决定，幅度可从仪器自检程序进行初判，最大值和最小值设计按照调整电位器的极限值设定.

表2 频率范围与电容对应值

3 试验

信号指标测试需要将自检装置和瑞利波探测仪主机传感器接插件连接，打开主机上的自检软件，按照软件提示要求，选择不同的频率档.1 Hz、20 Hz、30 Hz调频电容选择4.7μF档，调频电阻在1、2、3档之间进行切换.100 Hz、200 Hz、500 Hz调频电容选择0.47μF档，调频电阻在1、2、4档之间进行切换.自检装置的输出信号进行测定，见表3.

表3 输出信号测量

试验采用信号源和自检装置分别接到瑞利波探测仪主机上，按仪器自检软件要求进行指标测试，测试结果见表4.由于瑞利波探测仪道数多，检测列表中所记录的值为该项指标最大值.

表4 技术指标测试比对

通过实际的检测，电源采用正负供电，信号输出中要求的最大信号幅值为2.9 V，满足幅值要求.频率通过切换电容值实现，测试自检装置能够满足主机系统的自检要求.

4 结论

由ICL8038为主要器件组成的瑞利波自检装置无需设计专用电源，利用传感器正负电源即可进行工作.电路调试中，对于电阻调频部分的设计需要通过电位器调整，电阻组合匹配来实现.完成的自检装置体积小，无需附带电源、便于携带、电路可靠性高.输出信号的频率、幅值符合设计指标，通过实际自检测试，满足仪器自检要求.

[1] 王小波，梁春苗，杨新武，等.双边激发瑞利波技术在西山官地矿的应用研究[J].地质装备,2010,11(2)：28-30.

[2] 赵存明，沈 敏，张燕清，等.瑞利波探测公路施工隧道含水断层破碎带[J].煤田地质与勘探,2008,36(2)：72-75.

[3] 王乃堂.采区地震勘探技术在肥城煤田深部构造探测中的应用及效果评价[J].煤田地质与勘探，2005,33(8)：45-49．

[4] 杨成林.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社,1993.

[5]MT/T679-1997.矿用瑞利波探测仪通用技术条件[S].

[6] 李海涛.多频段多波形信号发生器设计构想[J].潍坊高等职业教育，2009,5(1):60-61.

[7] 刘 阳.精密波形发生器ICL8038[J].国外电子元器件，1995(11):11-14.

[8] 宋玉龙．压电加速度地震检波器及其频率响应特性分析[J]．石油仪器，2004(4):36～38．

[9] 赵 萍，胡冰峰.集成函数发生器8038芯片内部电路的验证与分析[J].现代电子技术，2010,335(24):1-4.

[10]GB/3836 4-2010.由本质安全型“i”保护的设备[S].

[11] 朱前伟.矿用本质安全型电源的基本要求和设计方法[J].工矿自动化,2012,25(6)：22-25.

[12] 王小波，王 勇.影响瑞利波在矿井中探测精度的因素[J].煤田地质与勘探, 2009,37(1)：72-74.