低频电磁信号

低频电磁信号（精选九篇）

低频电磁信号 篇1

甚低频 (英文缩写VLF, 意为very low frequency) 信号频率范围是3~30k Hz, 传播时以空间波为主。空间波又叫直射波, 指从发射点经空间直线传播到接收点的无线电波, 主要是在空间直接传播。甚低频信号以空间波传播的特性, 使之十分适合用作地埋光缆的探测信号。地埋光缆 (或电缆) 定位仪通常由发射机和接收机两部分组成。早期的电缆探测装置常会用到512Hz的正弦信号, 发射机在电缆 (金属护套) 的一端加载信号, 该信号会经由电缆向远处传送, 此时, 电缆就好比发射机信号输出端的延伸, 接收机通过探测电缆上的信号, 来实现对地下电缆的定位。有时为了将信号有效传递出去, 人们通常会将电缆 (金属护套) 的另一端接地以形成回路。随着时代的发展, 光缆逐渐取代电缆, 很多野外远距离铺设的光缆并不提供用于信号接入的接头盒, 人们在野外能看见光缆的地方只有地井。因此, 在地埋光缆的探测实践中, 我们需要给发射机增加一个较高频率 (如二十几千赫兹) 的正弦信号, 使发射机能通过感应的方式将这个信号加载到被测光缆上, 为接收装置提供探测信号, 所以接收装置要能分别接收并处理两种以上频率的信号。在接收装置的电路设计中, 为了使这两种频率差异较大的信号能共用部分硬件电路, 我们需要在信号输入时, 将频率较高的信号转换为频率较低的信号, 如512Hz正弦信号, 这时就可以用到LTC1043这款集成电路。

LTC1043简介

LTC1043是Linear公司生产的双精密电容器开关电路, 它在一个芯片上制造了两组电荷平衡型电容器开关。每一组开关由两个双刀双掷开关组成, 开关的频率可由内部的时钟控制 (时钟频率与外接电容器容量有关) , 也可以由外部的CMOS时钟来驱动, 时钟频率不超过5MHz。两组电容器开关是完全独立的, 但由一个时钟来驱动。图1是LTC1043的引脚图, 图2中只是表示出了一组双刀双掷开关, 引脚7 (S1A) 、8 (S2A) 、11 (CA+) 、12 (CA-) 、13 (S3A) 、14 (S4A) 组成一组双刀双掷开关;引脚6 (S1B) 、5 (S2B) 、2 (CB+) 、3 (CB-) 、18 (S3B) 、15 (S4B) 组成另一组双刀双掷开关, 引脚16是时钟输入端, 引脚4 (V+) 、17 (V-) 是直流供电输入端, 电压范围:3-18v。

基于LTC1043的频率变换电路

工作原理及硬件设计

该频率变换电路的功能是将一种频率的信号变换为指定频率的信号。图3是具体应用电路的硬件设计。在图3中, 输入频率为fin的正弦信号, 振荡电路的振荡频率为fosc (fosc=fin+指定频率) , 经过频率变换后, 可以得到频率为 (fosc-fin) 的信号输出。该电路的作用和超外差电路的功能相似, 超外差电路是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要, 利用本地产生的振荡波与输入信号混频, 将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的一种电路。超外差接收电路的频率大多都是以MHz为单位, 本电路输入的是甚低频的正弦信号。图3中, 输出信号强度的变化与输入信号强度的变化步调一致。

在甚低频电磁信号探测中的应用

在图4中, 一个较高频率的正弦信号fin被接收进来, 先要经过放大、滤波, 再送入频率变换电路, 频率变换电路输出频率为fo的信号, 该信号要运用带通滤波器进行调理后, 才能送到后级。通常我们可以选用500~600Hz之间的某个频率做为fo, 例如512Hz, 这样做的好处有两点:其一是, 用500~600Hz范围内的信号驱动声音提示电路, 人耳听起来会比较舒服, 当然, 我们还要注意尽量避开50Hz及其倍频的干扰;其二, 在原有512Hz信号的基础上, 增加了一个较高频率的测试信号, 较高频率的信号经过频率转换电路, 可以和原来的512Hz信号共用部分硬件电路。

地埋光缆定位原理

通电导线附近有电场和磁场存在, 光缆定位仪就是利用电磁感应的原理来工作的。发射机通过直连或感应的方式将信号加载到被测光缆上, 接收机则从被测光缆附近感应接收该信号, 操作者通过接收信号的强弱能判断地埋光缆的位置。常用的方法有峰值法和谷值法两种, 如图5所示, 采用峰值法探测, 探头水平 (与光缆垂直) 处在光缆的正上方时, 接收到的信号最强, 向左或右移动, 信号强度都会减弱;采用谷值法探测, 探头 (指向光缆) 处在光缆的正上方时, 接收到的信号最弱, 向左或右移动, 信号强度都会增强。

应用实践

在地埋光缆的探测当中, 我们发现:光缆定位仪同时配置两种频率的探测信号 (512Hz、29.xxx k Hz) , 已经能够满足用户大部分的使用需求, 同时产品操作简单, 成本相对较低。因此, 在甚低频3~30k Hz的频率范围内, 我们选取了一个接近30k Hz的信号, 因为频率较高, 相应的电磁耦合效果也较好。值得注意的是, 随着信号频率的升高, 接收机和发射机之间的空间距离也应加大, 以免接收机直接从发射机上接收到信号, 影响探测结果。在图4所描述的电路当中, 输入29.xxxk Hz频率的正弦信号, 我们通过改变接收装置内部的振荡频率, 就能得到频率512Hz的正弦波。电路调试过程中, 为了便于测试, 我们把图4中的天线替换一下, 将低频信号发生器作为信号源, 接到电路的输入端, 电路输出端接交流毫伏表、示波器等。应用实践表明, 频率变换电路确实能够满足设计要求, 达到了地埋光缆定位的目的。此外, 为了解该频率变换电路的频率范围, 我们还选用了一个频率在10 k Hz附近的正弦信号进行测试, 经过改变接收装置内部的振荡频率, 同样能实现频率变换功能, 满足设计要求。

结束语

应力、极低频脉冲电磁场与成骨细胞 篇2

应力、极低频脉冲电磁场与成骨细胞

电磁与机械环境能够影响成骨细胞的.生长与分化,关于其作用机理的研究每年都有大量的相关报道,主要针对细胞内的钙过程综述了极低频电磁场与机械因子对成骨细胞的作用途径,并对它们之间的异同进行了比较.

作 者：张建保 ZHANG Jian-bao 作者单位：710049,西安交通大学教育部生物信息工程重点实验室,生物医学工程研究所刊 名：国际生物医学工程杂志 ISTIC PKU英文刊名：INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOMEDICAL ENGINEERING年，卷(期)：200629(5)分类号：Q64 R318.01关键词：电磁场 应力 成骨细胞 钙

低频电磁信号 篇3

关键词：DDS　可编程放大　低频信号发生器

中图分类号：TN3　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973（2012）003-032-02

理论分析及方案论证

1.1 频率合成

Spartan-3E系列器件在DLL模块基础上增加了数字频率合成器的功能，为系统提供了更加丰富的频率合成时钟信号，最后采用直接数字合成法实现频率合成。

1.2 幅度控制

幅度控制器由TLC7528进行控制，利用其内部的R-2R电阻网络，将TLC7528设计成可编程增益放大器。通过单片机控制其幅度，实现峰--峰值100mv步进调整。

1.3 滤波器

为了消除波形表生成时所带来的毛刺及生成正弦波时数模转换所产生的高频分量，我最终决定采用四阶巴特沃思低通滤波器。巴特沃思滤波嚣的幅度函数是单调下降的，由n阶低通巴特沃思滤波器的（2n-1)导数在m=0处为零，所以巴特沃思滤波器也称为最大平坦幅度滤波器。相对来说，滤波器在通带内的平坦程度重要性要高于衰减陡度。

2 系统硬件设计

2.1 总体设计思路

充分考虑各种因素制定出了整体的设计方案：以单片机MSP430为核心，完成四方面的功能：处理键盘数据；控制液晶显示；控制DAC08进行幅值转换；传送频率控制字K值给FPGA处理，再通过TLC7528搭建的可编程增益放大器实现输出幅值的控制和信号峰峰值的步进调整。

2.2 系统所用材料

单片机采用MSP430F149，FPGA采用Xilinx公司的Spartan3E 500E 芯片，DAC采用的DAC08和TLC7528。运放采用NE5532和LM6172，其中LM6172具有很的压摆率，可以实现在发挥部分中对FPGA输出的3.3v的脉冲波进行较小失真的放大，方便后级可编程放大器对其的衰减控制。

2.3 模块电路

(1)波形转换与可编程放大（DAC08及TLC7528模块）　其中运放采用NE5532，因为其增益带宽积很高，完全可以实现发挥部分所要求的频率。

DAC08用于将FPGA输出的波形数据转换成实际电压值，TLC7528构成可编程增益放大器，实现对峰峰值为12.8v的正弦和方波信号衰减，完成所要求的100vm步进可调。

(2)滤波器模块运放采用NE5532，因为其增益带宽积很高，完全可以实现发挥部分所要求的频率。

该滤波的设计是采用TI公司的软件设计，设计精度很高，效果很好，本系统中选用四阶巴特沃斯滤波器。

(3)同相放大及基准源模块

该模块用于放大脉冲波，然后用于后级的可编程放大器，实现100mv步进的要求。

3 系统软件设计

(1)主要实现显示，按键操作，数据处理，MSP430与FPGA之间的通信。

(2)FPGA部分verilog编程。

生成的RTL框图如图3。

1)top层：(略)。

2)各模块层电路。

4 系统误差分析

由于DDS的工作原理是基于数字取样及数摸恢复的处理，所输出的模拟信号中必然会有杂散噪声，其来源主要有以下三方面的因素。

(1)相位误差

相位舍位引起的误差：由于累加器的位数N小于RAM的寻址位数w产生截断误差。

(2)幅值量化误差由于DA位数有限，所以进行幅值量化时会产生幅值量化误差。增加数据字长和DA位数将可以减少这种误差。

(3)由于数/模转换器的非理想特性引起的误差。

4种随机噪声（如：电源噪声）也会对的输出波形造成一定误差。

5 系统测试结果

6 总结

这是一项很不错的设计，通过简单巧妙的方法有效地实现了所需功能。当然也有很大的提升空间。对于仪器仪表类课题以前接触的比较多，所以上手起来比较容易，当然做好也不简单。最后要说的是，注重细节至关重要，细节决定成败

参考文献：

低频电磁信号 篇4

关键词：急性脑梗死,低频率变电磁刺激,卒中量表评分

脑梗死在我国的年发病率为110/10万人, 其致残率和病死率很高。已有的资料表明, 超早期溶栓治疗有一定疗效, 但能满足溶栓治疗时间窗的患者甚少;而神经保护治疗仍然是一个亟待解决的难题。早期的康复治疗有利于脑梗死患者功能的恢复和重塑, 已成为治疗脑梗死的重要手段。经颅低频交变电磁刺激可作用于脑细胞和脑血管, 影响神经系统活动, 可能有利于脑功能的康复, 但刺激的方法多样, 且缺乏规范的临床研究和明确的结论。本研究采用单盲随机对照研究, 观察清华德人SK系列脑病生理治疗机辅助治疗急性脑梗死的疗效。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2005年1月—2007年4月收住我科的112例脑梗死患者。脑梗死诊断参照中华医学会第四届全国脑血管病学术会议通过的《各类脑血管疾病诊断要点》[1], 首次发病并经头颅CT和/或MRI确诊为急性脑梗死, 发病时间均在72 h以内。

排除标准: 动脉主干闭塞引起的大面积脑梗死和后颅凹的梗死;有意识障碍者及生命体征不稳定者; 全身及颅内出血性疾病; 颅内感染和肿瘤; 重症心脏病及使用心脏起搏器者。

1.2 治疗方法

以美国国立卫生院卒中量表评分 (NIHSS) 基线评分选择<18分和≥18分为轻度患者, 并进行分层和均衡性检验, 然后将患者分为对照组 (55例) 和治疗组 (57例) 。对照组给予常规治疗, 包括抗血小板聚集或抗凝治疗、脑代谢活化药物以及针对高血压和糖尿病等的病因治疗。治疗组除了常规治疗外, 加用清华德人SK系列脑病生理治疗机辅助治疗, 治疗帽的放置参照产品说明书, 低频交变电场的磁感应强度为16 mT, 每日1次, 每次30 min, 每个疗程10 d, 共治疗两个疗程, 疗程间间隔3 d～5 d。

1.3 观察指标

神经功能缺损评分采用NIHSS, 分别于入院时、治疗后21 d、治疗后3个月时进行评定。于3个月时使用改良Rankin评分 (mRs) 评价患者的功能, 使用Barthel指数 (BI) 来评定日常生活质量。3个月时, NIHSS总分≤1分或较入院时改善≥7分者为神经功能缺损明显改善;mRs ≤1分, BI ≥95分判断为预后良好, 均采用盲法评定。治疗过程中观察不良反应的发生。

1.4 统计学处理

使用SPSS 15.0软件, P<0.05为差异有统计学意义。组间均衡性检验使用 t检验或χ2检验, 非参数资料显著性检验采用Welcoxon秩和检验。疗效的判断中, NIHSS、mRs和BI转换成二分类变量, 计算OR和95%CI。

2 结 果

2.1 一般资料比较 (见表1)

共有106例患者随访至3个月, 对照组51例, 治疗组55例。两组发病年龄、性别以及病情程度等方面比较无统计学意义。

2.2 两组治疗3个月后情况

治疗后3个月, 治疗组NIHSS明显改善21例高于对照组 (11例) , 治疗组和对照组mRs有较好的比例 (53% vs 31%) , BI亦有较好比例 (60% vs 37%) , 两组比较有统计学意义 (P<0.05) 。

2.3 不良反应

治疗组患者治疗过程中均未发现相关的不良反应。

3 讨 论

针对急性脑梗死的病理生理, 溶栓治疗是恢复局部供血的重要措施, 但是一般应在3 h内进行, 且须严格掌握适应证和禁忌证, 所以能满足治疗时间窗的患者有限。在美国, 脑梗死患者仅3%得到了溶栓治疗, 且溶栓治疗有增加颅内出血的危险, 所以临床应用受到了一定的限制。其他治疗如脑保护治疗、抗凝治疗和降纤治疗等疗效还不确切, 所以对脑梗死急性期的治疗尚缺乏有效手段[2,3]。

随着我国人口老龄化的出现, 以及对卒中治疗手段的增加, 我国卒中患者的短期生存率有所增加, 如何改善生存患者的功能残疾和生活质量成为研究的热点。近年研究表明, 在生命体征平稳的前提下, 卒中诊断后尽早进行康复治疗, 不仅能预防卒中的再发和出现并发症, 而且直接关系到脑梗死患者的预后[4]。

经颅低频交变电磁刺激以其穿透性强和无创性等优点而得到越来越多的临床研究和应用。本研究结果显示早期的经颅电磁刺激可以改善患者的预后。其作用机制可能有:扩张脑血管, 解除脑血管痉挛;改善脑细胞的代谢环境;增加尚存神经通路的兴奋性, 稳定脑电活动;电化学作用, 进一步改善脑细胞的新陈代谢, 增强受损细胞的修复和功能重塑等[5,6]。

本研究观察显示, 尽管神经功能缺损评分未能达到统计学意义, 但患者的功能改善确是显著的。分析可能因素有:本研究入选患者病情相对较轻, 入院时NIHSS评分相对于一些其他研究较低, 可能降低了NIHSS作为预后判断的敏感性;样本量相对较小, 未能区别两组间的差别, 可以通过进一步的研究来验证该治疗对神经功能缺损的影响。在脑梗死急性期, 给予基础治疗的同时, 早期辅以经颅低频交变电磁刺激物理治疗, 有利于改善急性脑梗死患者的神经功能缺损, 提高日常生活能力, 是一种有效的而且安全的治疗手段, 其作用机制有待进一步研究。

参考文献

[1]中华神经科学会, 中华神经外科学会.各类脑血管疾病诊断要点[J].中华神经科杂志, 1996, 29:379-380.

[2]Adams H, Adams R, Del Zoppo G, et al.Guidelines for the early management of patients with ischemic stroke:2005guidelines up-date a scientific statement fromthe Stroke Council of the American Heart Association/American Stroke Association[J].Stroke, 2005, 36:916-923.

[3]Hacke W, Donnan G, Fieschi C, et al.Association of outcome with early stroke treat ment:Pooled analysis of ATLANTIS, ECASS, and NI NDS rt-PAstroke trials[J].Lancet, 2004, 363:768-774.

[4]Duncan PW, Zorowitz R, Bates B, et al.Management of adult stroke rehabilitation care:Aclinical practice guideline[J].Stroke, 2005, 36:e100-e143.

[5]Khedr EM, Ahmed MA, Fathy N, et al.Therapeutic trial of repeti-tive transcranial magnetic sti mulation after acute ischemic stroke[J].Neurology, 2005, 65 (3) :466-468.

低频函数信号发生器的设计 篇5

关键词：信号发生器,AT89C51,ICL8038

函数信号发生器是科研及工程实践中最重要的仪器之一, 在电子学的各个领域, 常常需要使用高精度且频率可方便调节的信号发生器, 要求其能够产生多种波形, 如三角波、矩形波、正弦波。本项目是利用压控振荡器技术来设计低成本信号源。

1 系统设计

低频函数信号发生器采用压控振荡电路产生正弦波、三角波、方波信号, 并采用单片机控制其信号的频率、相位与幅值, 系统结构如图1所示。系统中采用AT89C51单片机进行显示、输入以及控制, 通过DAC控制压控振荡器ICL8038的输出频率, 输出电压幅值变化通过DAC控制程控放大器AD603实现, 受篇幅限制, 单片机控制的显示、按键以及DAC等通用单元在本文中不再赘述, 仅对信号产生电路以及输出幅值控制电路进行详细阐述。

2 压控振荡器的设计

波形发生电路要求输出0~10V频率为10Hz~500KHz的正弦波、方波以及三角波, 并且可以实现占空比调整。波形的产生本次设计采用集成的压控波形发生电路ICL8038进行设计, 通过改变ICL8038 8脚上的电压即可改变频率, 这个电压可以通过C8051f410单片机的DAC来实现。通过调整W500电阻改变4、5脚上的电压就可以实现占空比调节。电路如下图所示。

ICL8038是通过内部的两个恒流源对电容充放电来实现波形振荡, 在同一个电容上振荡的频率比通常在10~100之间。当大于100时ICL8038振荡器有可能停振, 因此频率输出范围是10Hz~500KHz, 这里的频率比达到了50000。为了得到较好的波形, 提高可靠性, 我们采用CD4051模拟开关对ICL8038的充放电电容C进行切换, 切换由AT89C51单片机控制, 电路图如下。

3 输出放大器的设计

通用信号源输出的波形的幅值应在一定范围内波动以适应不同的实验, 而ICL8038能输出正弦波、三角波以及方波, 波形的峰—峰值应固定, 因此在ICL8038输出后采用程控增益放大器AD603控制幅值。AD603的程控增益变化范围可达-10d B~20d B, 电压增益变化范围达1000倍, 因此可实现输电电压的大范围小步进精密调整。AD811是输出级驱动电路, R11的51欧姆电阻串联在输出电路中, 保障输出端电路短路时, 输出运放不会被烧毁, 起到保护作用。电路如图4所示。

4 结论

经过一段时间的测试运行, 证明此信号发生器工作稳定可靠, 能产生1Hz~~5MHz的正弦波、方波、三角波。利用单片机对ICL8038的实时程序控制产生了高频高精度的输出波形, 系统运行稳定, 具有幅度调节、键盘设置、频率显示等功能, 可广泛应用于教学实验与科研调试中。

参考文献

[1]陈大钦.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1999, 7.

简易低频信号发生器的设计 篇6

在科学研究、工程教育和生产实践的研究过程中,往往需要使用到低频信号发生器产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等信号作为基本测试信号。例如,在示波器和电视机中,为了使电子仪器按照一定规律运动,使用屏幕显示图像,常用到锯齿波发生器作为时基电路。低频信号发生器作为通用电子仪器,在生产、科研、测量、控制和通讯等领域都得到了广泛的应用。

1 系统方案的设计

1.1 设计方案

信号发生器采用单片机作为主控制器,利用单片机STC89C52作为系统的主控核心,编写波形产生的程序代码,接入DAC0832进行模数转换,通过运算放大器LM358滤波放大得到所期望的低频信号波形。

方案硬件原理方框图如图1所示。

1.2 系统原理

数字信号可通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C52单片机本身就是一个完整的微型计算机,具有微型计算机的各部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等,只要将89C52再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等部分,即可构成所需的波形发生器。

89C52是整个波形发生器的核心部分,通过程序的编写和执行,产生各种各样的信号,并从键盘接收数据,进行各种波形的转换和信号频率的调节。当数字信号经过接口电路到达D/A转换电路,将其转换成模拟信号,最后通过示波器显示输出的信号波形和频率。

1.3 设计思路

(1)利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形,信号的频率、幅度可调。

(2)改变信号频率,将一个周期的信号分离成256等分点(按X轴等分),每两点之间的时间间隔设为ΔT,用单片机的定时器来产生,表示式为:ΔT=T/256。假设单片机的晶振为12 MHz,采用定时器方式0,则可以得出定时器的初值为:

定时时间常数为:

(3)正弦波的模拟信号是D/A转换器最终模拟量的输出,计算公式为:

则对应存储在计算机里的该点数据为:

(4)一个周期被分离成256个等分点,对应的4种波形的256个数据存放在存储器中。

1.4 设计要求

(1)本设计采用4个独立式按键。其中“chg”表示波形切换(为了便于记忆采用英文翻译一致表示法),“frecLu”表示频率升高,“freq—d”表示频率降低,“RESET”表示复位。一个可调电位器RV1,大小为10 kΩ,用于调节波形幅度。

(2)采用示波器显示输出信号的波形和频率大小。

(3)采用1片DAC0832实现数模的转换,得到最终需要的模拟量信号输出。

(4)频率可调范围:0～75 Hz;幅度可调范围:1～5 V。

2 系统的硬件设计与实现

2.1 总体电路工作原理

本系统采用STC89C52单片机作为控制核心,芯片DAC0832实现数字量与模拟量的转换,在DAC0832的输出端接运算放大器LM358,由运算放大器将信号放大并输出,再通过示波器显示信号波形和频率大小。操作时需用到按键控制输出波形的种类以及频率的加减,并通过调节10 kΩ电位器RV1大小来改变波形的幅度。

2.2 主要单元电路的设计

2.2.1 单片机主控电路

该设计电路采用STC89C52单片机作为主控制器,在本电路中,晶振电路与89C52的XTAL1和XTAL2端口连接,驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。3个独立式按键“chg”、“freq_u”、“freq_d”与P1.0、P1.1、P1.2端口连接,向STC89C52输入改变波形参数的指令电平,“RESET”按键与RST端口连接,向STC89C52输入高电平,使之复位。

2.2.2 模数转换电路

由于单片机产生的是数字信号,要想得到所需要的波形,需要把数字信号转换成模拟信号,数模转换器选用DAC0832。DAC0832是一个8位D/A转换器,它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位的D/A转换器及逻辑控制电路组成,它是电流型输出,在应用时外接运放LM358(相当于积分器)使之成为电压型输出。根据系统要求,设计出的模数转换电路,如图2所示,其中DIO～DI7与STC89C52的P2.0～P2.7端口连接,以接收数字信号。

2.2.3 晶振电路

单片机系统里晶振作用非常大,全称叫晶体振荡器,它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越高,单片机运行速度就越快,单片机的一切指令的执行都是建立于单片机晶振提供的时钟频率。

单片机的晶振频率可以在1.2～12 MHz之间选择,这时电容C可以选择10～30 pF。对于本设计的电容C用30 pF,晶振选用12 MHz。设计出晶振电路如图3所示,一条引脚接在XTAL1,另一条接在XTAL2。

2.2.4 复位电路

复位电路不需要通过单片机程序来控制,直接通过硬件电路来实现,当电路在运行时,按下复位开关则电路重新恢复到原始状态。复位电路分为电复位和手动复位,为避免程序执行失步或运行紊乱,在这里我们采用了手动复位电路,电路图如图4所示。

2.2.5 按键接口电路

本设计采用3个独立式按键。其中“chg”表示波形切换(为了便于记忆采用英文翻译一致表示法),“freq_u”表示频率升高,“freq_d”表示频率降低。3个按键接口电路均与P1口相连,其中chg控制波形的输出类型,操作电路时,通过触发此按键来达到切换正弦波、三角波、锯齿波、方波的目的;freq_u用来提高信号的频率,每按下一次,频率提高1 Hz;freq_d用来降低信号的频率,每按下一次,则频率降低1 Hz。

3 系统的软件设计

本设计将4种波形的数据储存在单片机的程序存储器里,通过改变这些数据的输出速度即2个采样点间的,也就是定时器的初值,来改变信号的频率,然后通过改变D/A转换器的参考点来改变信号的峰-峰值。

3.1 正弦波的产生

DAC0832是8位的D/A转换器,工作电压是0～5 V,当输入00数字量时,输出为0V电压;当输入80数字量时,输出为2.5 V电压;当输入FF数字量时,输出为5 V电压。单片机的I/O输出均为+5 V的TTL电平,因此产生的正弦波幅值为+2.5 V。将一个周期内的正弦波形等分为256份,则第1点的角度为0°,对应的正弦值为2.5sin0°;第2点的角度为360°/256,对应的正弦值为2.5sin(360°/256)……,如此类推,将这些模拟量正弦值都转换为单极性方式下的数字量,得到一张按照点号顺序排列的正弦波波形数据表格,而每次可根据查正弦波形数据表格而得到。

其实在计算正弦波形数据时,并不需要算出整个0～2π区间的每一个值,而只需计算出0(1/2)π中的值就行,其他区间的值都可以通过对0～(1/2)π中的值取不同的变换。例如(1/2)π～π的值可以和0～(1/2)π值一一对应,而π～2π的值可以对0～π区间的值取负值得到。计算值用C语言编程得到。

那么每一个点相对于前一个点的递增率为(Y2为当前的点,Y1为前一个点)。所以每一个点的数字量与递增率A成一一对应关系。

3.2 三角波的产生

设个自变量num让它不断地自加1,P2=num,直到加到128时,P2=255-num,直到num≥256时,num恢复为0,然后再不断地重复上述过程进而产生三角波。程序如下:

3.3 方波的产生

设置调节值squa_num,自变量num

3.4 锯齿波的产生

锯齿波中的斜线用一个个小台阶来逼近,在一个周期内从最小值开始逐步递增,当达到最大值后又回到最小值,如此循环,当台阶间隔很小时,波形基本上近似于直线。这样适当选择循环时间就可以得到不同周期的锯齿波。锯齿波发生原理可以类比方波,只有高低2个延时的常数不同,所以用延时法来产生锯齿波,设个自变量num让它不断地自加1,直到255,DAC0832可以又自动归0,然后再不断地重复上述过程从而产生我们需要的锯齿波。程序如下:

4 仿真与调试

该主控电路可以运用protues软件进行仿真,在Keil软件中写入程序后,生成.hex文件,将所生成的.hex文件直接载入单片机中,并进行仿真。电路初始输出正弦波,通过chg按键,可由正弦波→三角波→锯齿波→方波→正弦波的过程转换,通过调节RV1电位器,每种信号幅度(峰-峰值)可以在0～5 V范围内变化。通过freq_u按键及freq_d按键,可以增加或减小信号的频率,且在0～75 Hz范围内变化。波形转换的仿真结果如图5所示。

5 结语

对制作的低频信号发生器实物调试结果为幅度(峰-峰值)在0～5 V范围内变化,频率在0～75 Hz范围内变化,与仿真结果一致,说明设计与制作基本达到要求。实验表明,各种信号的幅度与频率输出稳定,可用于对信号源的幅度与频率要求在此范围内的各种实验。此外,设计的电路规范,操作方法简单易懂,硬件设计也有一定的应用性和普及型,对今后研究开发功能全面的函数信号发生器提供了基本的研究方向。

摘要：介绍了采用89C52单片机设计产生正弦波、三角波、锯齿波、方波4种信号的低频信号发生器的方法,阐述了系统硬件电路的设计要点和软件的实现过程。实验表明:低频信号发生器产生的各种波形频率和幅度在一定范围内可调,且稳定性好。设计的电路和操作方法适用于一般的简单信号发生器的系统设计,硬件设计也有一定的应用性和普及型,对开发功能全面的信号发生器具有积极的指导作用。

关键词：低频信号发生器,波形,频率,幅度

参考文献

[1]牛昱光.单片机原理及接口技术.北京:电子工业出版社,2009

[2]冯博琴,吴宁.微型计算机原理与接口技术.北京:清华大学出版社,2009

[3]张建民,杨旭.利用单片机实现温度监测系统.微计算机信息,2007 (5)

[4]胡宴如,耿苏燕.高频电子线路.北京:高等教育出版社,2008

[5]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术.武汉:华中理工大学出版社,1999

[6]李华.MCS-51系列单片机使用接口技术.北京:航空航天大学出版社,2000

低频电磁信号 篇7

1 透地通信预设的天线

无线通信布设着的无线通信路径, 应能考量安设的总流程、天线布设之中的方向系数、拟定好的增益参数。然而, 若依循惯用的路径, 来布设衔接的这些天线, 就遇到偏多的疑难。半导电特性的介质之中, 天线装置特有的成效, 还会带有非单值这样的特性。在偏大范畴以内, 系数的更替, 关联着各个时段中的电导率。

无线通信特有的网络限制, 限缩了布设好的天线长度。真实情形之下的这种长度, 比对测量得来的波长, 会凸显偏短的倾向。为此, 可把体系架构以内的线路, 近似拟定成偶极子, 测定出来的辐射效率偏低。与此同时, 无线通信架构中的半导体, 被拟定成特有的分界面;这种态势下, 系统接纳的关联信号, 就会变得偏弱。为此, 有必要调和整体系统。

无线通信依凭的总系统, 应被正确架设。条件许可时, 电磁波传递依凭的这种天线, 应被布设得偏长。为缩减周边范畴以内的介质损耗, 安设好的线路, 应规避场地以内的多重阻碍。选出来的工作频率, 应当带有适宜的特性;采纳惯用的弱信号, 来接纳甚低频特性的这种波形。天线及衔接着的终端, 应配有适宜特性的耦合方法。发射及接纳信号这样的天线, 都被拟定成水平方位的单级天线。

2 信号传输特有的频率测定

甚低频范畴内的电磁波, 被设定成无线互通必备的这种波形。把无线通信惯用的天线, 看成电偶极子。电波传递特有的路径之中, 天线运送过来的电波, 先要经由覆盖着的上侧层级。例如:通信体系架构内的传导电流, 会超出这一范畴的位移电流。选出来的参数, 可分成电导率、电磁波特有的角频率、关联着的介电常数。甚低频段特有的区段, 会满足拟定好的这一要求。真正去运算时, 天线预设的埋深, 应被拟定为零。发射天线被安设于地表以下的某深度之处。为此, 应把运算得来的数值, 乘以选取出来的衰减因子, 就得来这一深度。

2.1 区分多重区段

线路架设固有的距离、电磁波固有的波长, 会表征着不同比值。依循拟定好的这些比值, 可把选出来的区域电场, 分出四种区段。具体而言, 若预设的通信距离偏近, 或拟定好的频次偏低, 那么这一区段被设定成准静区。伴随距离拓展, 细分出来的这些区段, 依次设定成近区、中部架构下的中间区、偏远的区段。

测量得来的频率范围, 关涉着对应情形下的波长。例如:频率被拟定成10k赫兹这一数值以内, 那么波长表征的数值, 就被限缩在30千米;依循这一递增规律, 可以推测得来幅值特有的衰减常数。由此可得, 在偏低频次特有的区段内, 如上的比值会满足特有的准静区;若拟定好的通信距离, 没能超出2千米, 那么给出来的通信范围, 就被划归为近区。

2.2 明晰运算流程

准静区特有的区段之中, 应当经由审慎的运算, 计算出拟定好的场, 同时辨识场的特性。若给出来的频率既定, 且通信距离特有的间隔偏近, 那么体系架构以内的架设天线, 就被看成近似态势下的恒流偶极子。场强及关联着的电流矩, 会凸显出正比的关联;然而, 场强与运算得来的电导率、场地固有的水平距离, 却带有反比的关联。

若拟定好的频率升高, 则原初的这种距离, 就会快速缩减。如上的运算中, 没能考量偶极子特有的埋设深度。真实态势下, 水平方位的这种偶极子, 会被安设于特有高度的通信线路之内。真正去计算时, 还应在拟定好的公式之中, 添加衰减因子。

2.3 埋地范畴内的偶极子

甚低频架构下的无线通信, 拟定好的电场, 会跨越这一范畴中的准静区、关联着的近区。接纳过来的信号, 主要依凭运输特性的天线。为获取各个层级内的场强数量级, 有必要明晰多重参数的更替规律。接收点区段之中的原有场强, 会随同变更着的参数, 而不断更替。

例如:发射天线预设的埋设深度, 被拟定成300米;拟定好的这种长度, 表征着水平方位的电偶极子。运算得来的电流矩, 会达到100A每米。天线固有的上侧区段, 覆盖着等效特性的电导层。这一层级固有的电导率, 被测定成每米0.018S。由此可推知, 划分好的通信范畴, 应被涵盖在准静区。把如上的条件, 带入给出来的公式, 就能明晰接收点关涉的电场;还能明辨电场随同频率而更替这样的规律。若选出了既定的一点, 则可以明辨通信距离特有的彼此关联。

3 应注重的事宜

依循地层固有的多样磁性, 可以辨识这一层级以内的磁导率。除了带有铁磁特性的这种物质, 其他范畴之中的关联物质, 都很近似拟定好的真空状态。预设的介电常数, 关联着极化场这样的频率;介电常数特有的测定及运算, 也关涉周边范畴中的环境。干燥特性的区段环境, 对于固定着的多重频率, 都会保持恒定。潮湿特性的环境, 对于关联着的声频, 会凸显明晰的干扰。这样测定出来的电导率, 会相差偏多的数量级。

拟定好的这一电导率应被设定为恒定。为便利接续的通信设计, 依循穿透点布设着的大致方向, 可以经由运算, 得来等效态势的电导率。把测算得来的这种参数, 简化为惯常见到的、均质架构以内的电磁波, 并拟定可用的穿透模式。等效情形下的电导率, 可被概要拟定成平均值。在如上的运算中, 应被涵盖的关联参数, 包含总体的线路长度、线路固有的导体状态。依循通信地点特有的布设状态, 得到平均态势中的电导率。

4 结束语

甚低频特性的这种电磁波, 建构了透地范畴内的无线通信。系统以内的通信路径, 带有复杂的特性;真正去建造时, 应考量选出来的接地途径、匹配着的阻抗、调制情形下的耦合方式、滤波及接纳弱信号特有的流程。解析这一系统, 应当明辨场地范畴以内的真实状态。

参考文献

[1]陶晋宜.甚低频电磁波穿透地层无线通信系统若干问题的探讨[J].太原理工大学学报, 2010 (06) .

[2]孙红雨.透地通信系统研究进展[J].山东科技大学学报 (自然科学版) , 2011 (03) .

[3]霍振龙.透地通信系统的现状和主流技术分析[J].工矿自动化, 2013 (09) .

低频电磁信号 篇8

矿井的巷道、城市地下管网等地下设施环境封闭,移动网络信号难以覆盖到,为了满足地下事故紧急救援以及地下工程协同作业等情况的需要,人们对于在地面和地下之间以及在地下施工作业人员之间进行语音通信有着广泛的需求。为了适应地下通信的特殊要求,通信设备不仅要便携、抗干扰性好,还需要将语音信号调制到低频率载波上进行传输,以增强无线信号在地层中的穿透性,因此必须采用低速率的数字语音编码技术。而AMBE-1000 是一款高性能的多速率语音编解码芯片,具有语音音质好、编解码数据速率低和高集成度、低功耗等优点[1,2],可以广泛应用于数字语音通信、调度语音记录、无线语音通信等场合。

本文设计实现的是地下低频通信系统的语音子系统。系统使用单片机作为主控单元,对语音编解码芯片AMBE-1000 和语音采集处理芯片CSP1027进行初始化设置和读写操作,从而实现可靠、稳定和有效的语音通信。

1 AMBE-1000 的特点与工作原理

1. 1 AMBE-1000 的特点

AMBE-1000 是一款高性能的多速率语音编解码芯片,采用MBE技术的语音压缩算法,具有语音音质好和编码速率低等优点,语音编解码速率可以在2. 4kbps ~ 9. 6kbps之间变化,所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成,不需要额外的存储器。

AMBE-1000 由相互独立的编码器和解码器构成。编码器接收8k Hz采样的语音数据流并以一定的速率输出信道数据,解码器与之相反,二者的接口时序完全异步。

AMBE-1000 采用A / D - D / A芯片作为语音信号的接口,输入输出的语音数据流的格式必须相同,信道接口可以采用8 位或者16 位的微控制器。

AMBE-1000具有以下主要特点:

(1)全双工。

( 2) 语音编码速率为2400bps ~ 9600bps,变化间隔为50bps。

( 3) 串并行接口可选择。

( 4) 能产生和识别多音多频( DTMF) 信号。

( 5) 具有话音激活、舒适噪声插入和回音消除等功能。

( 6) 内部集成卷积编码器和Viterbi译码器。

( 7) 可变速率FEC功能,可根据信道情况,灵活地选择它的速率。

( 8) 低功耗、低复杂度。

1. 2 AMBE-1000 的工作原理

AMBE-1000 中编码器和解码器的接口工作原理如图1 所示。

AMBE-1000 可以实现前向纠错( FEC) ,其可变编解码速率2. 4kbps ~ 9. 6kbps。

这里,总速率= 语音速率+ 纠错码速率。

通过设置芯片的4 个引脚BPS-SEL[3 ~ 0]选择编码的速率。系统中将其设置为BPS-SEL[3 ~ 0]=0100,表示语音速率为2350bps,纠错码速率为50bps,所以总速率为2400bps。

AMBE-1000 通过设置芯片的引脚状态指定其工作状态,芯片加电时自动进入引脚所设置的状态工作。可以设置的选项包括AD/DA转换格式、语音编码速率、FEC速率、主动/被动方式、并/串数据方式、VAD使能、回音消除使能等。

AMEB-1000 的数据格式分为帧格式和非帧格式二种,系统中使用的是帧格式。对于帧格式,AMBE-1000 以20ms为周期全双工并行工作。每隔20毫秒,发送端芯片将A/D转换器送来的数字语音进行压缩,按其帧格式打包后送到编码输出缓冲器,接收端芯片将解码输入缓冲器的数据包解压还原后送到D/A转换器,从而实现了数字语音的编码和解码两个过程。

2 系统总体结构与原理

系统主要分为微控制电路、语音编解码电路和模数转换电路等模块构成,总体结构如图2 所示,其中:

( 1) 微控制电路选用宏晶公司的STC10F08XE及其外围电路构成,主要完成对系统中各个模块电路的初始化设置和控制,并与外界交换数据与信息。

( 2 ) 模数转换电路选用AGERE公司的CSP1027 及其外围电路构成。模数转换电路与AMBE-1000 的CODEC接口连接,进行PCM数据的交换。此外,AMBE-1000 的串行和并行数据接口与STC10F08XE的数据接口相连,从而进行编码数据的交换。

3 硬件设计

系统在硬件设计时主要围绕3 个核心器件及其外围电路进行。

( 1) 语音经麦克风转换为微弱电信号,并且对转换得到的语音模拟信号进行放大和滤波处理,达到模数转换芯片对输入电压值最大幅度的要求,然后进行模数转换。

( 2) 模数转换芯片CSP1027 与AMBE-1000 之间的主要信号线的连接如图3 所示。

这里,CSP1027 的工作模式可以进行设置,以串行方式输出转换得到的数字量给AMBE-1000 或者接收从AMBE-1000 解码后传送过来的数字量,有同步时钟进行串行数据传输时的位同步。

( 3) 微控制器电路由晶振电路、RS232 串行口电路构成。由无源晶振构成12MHz的工作时钟,串行口用于程序下载,采用MAX232 进行电平转换,通过DB-9 的标准接头与PC机进行连接。

( 4) 系统中各部分电路的工作电源之间有的相互独立,有的相互联系。微控制器部分的数字电路部分采用+ 5V供电,PCB设计时将数字电路的接地线和电源地连接在一起,形成大面积的数字地( DGND) 。具有模数转换功能的芯片CSP1027,它的供电电路由两部分组成,数字部分的供电电源同微控制器的+ 5V,对应连接的地线也是数字地; 还有一部分是模拟部分,设计PCB时模拟部分的供电电源线汇集在一起后通过软铁氧体磁珠接入数字部分的+ 5V电源,模拟地线汇集在一起后通过短路线单点接入CSP1027 芯片的数字地。

4 软件设计

4. 1 AMBE-1000 的软件设计

AMBE-1000 的数据是以帧为单位,将全帧进行传输可以保留全部的状态信息,并使其灵活性和功能有所提高。每次传输的数据量最高可以达到34个字节,每20 毫米进行一次传输,则每一秒需要传送的最大数据量为: 34byte × 8bits/byte × 50 =13600bit。

对于发送程序,第一步是每隔20 毫秒将AMBE-1000 的语音数据存入一个缓冲区,将帧中不必要的帧头和帧尾去掉,从而得到纯语音的数据; 第二步就是和系统中需要传送的其它数据综合打包,并且加上系统的帧头和帧尾; 最后,将综合后的数据流送入无线信道行传输。接收程序的对数据的处理过程与之相反。

4. 2 程序设计

发送端的程序开始执行以后,首先发出一个复位指令,使AMBE-1000 复位并进入默认的工作状态,当AMBE-1000 准备好之后,通过引脚状态触发CPU的外部中断。因为AMBE-1000 每隔20 毫秒输出一个6 字节的帧,而每一帧都有固定的格式,其中帧头为0X13EC,所以在中断程序中首先判断获取的第一个字节是否为13,若不是则重新获取一个字节,若正确就依次获取一帧中其它字节的数据,并且送入无线信道进行传输。

接收端的程序接收来自信道的2400bps的连续数据流,并将该语音数据流存储到FIFO中,为了重新组帧,在接收程序中,还要产生一个本地帧头,它可以单独产生。在自收自发的检测程序中,可以将已编码帧中的帧头暂存后作为本地帧,然后每隔20毫秒,用时钟RX_CLK读出暂存的本地帧头,读取完成后立刻从FIFO中用8k的时钟读出并发送80bits的语音数据( 通过计数实现) ,这样就重新组合成了一个完整的待解码数据帧,并将其送至AMBE-1000 进行解码。需要注意的是,RX_STRB要与输入AMBE-1000 的待解码帧保持同步,使在RX_STRB的上升沿开始组合一帧数据,以完成同步。

5 测试结果

将测试板加电,连接话筒和音响,将语音数据的波特率设置为2400bps,对着话筒说话,在音响端可以听到解码还原的声音,清晰可辨识。用示波器可以观测到经过压缩编码的2400bps的语音数据流,达到了设计的预期。

语音测试板的实物和经过压缩编码的2400bps语音数据流测试波形如图4 所示。这里,语音数据流输出的同时有位同步时钟一起输出,所以显示的是两个波形。

6 结束语

基于AMBE-1000 的语音基带信号处理子系统可以实现2400bps高压缩率、低码率的语音数据流输出,并且实现较为简单、可靠,数字语音的实现方式也为实现语音和数据的同时传输提供了可能。这样,可以有效地减小对通信带宽的要求,为地下低频率载波语音通信提供了保证,具有广阔的应用前景。

摘要：对于矿井等特殊场合,有在地面与地下或者地下多点之间进行无线语音通信的广泛需求,这对地下事故救援、协同作业等有重要意义。为适应地下通信低频率载波对高压缩率数字语音信号的要求,文中设计了一种语音通信设备。设备以麦克风、扬声器作为语音收发端,通过CSP1027对语音信号进行A/D、D/A转换,选用AMBE-1000实现对量化的语音数据进行编码和解码,使用MCU进行系统初始化和语音的传输。实验证明,压缩的波特率低至2400bps时仍可以完成话质清晰、可靠的语音通信,适合作为地下低频通信的语音处理子系统。

关键词：地下通信,低频率载波,AMBE-1000,语音压缩

参考文献

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[2]赵明.基于AMBE算法的数字语音传输系统[J].数字技术与应用,2010(1):10-11.

[3]刘贵友,李凯,齐庆杰.基于AMBE-1000和RFC-1100A的煤矿机车语音通讯系统[J].煤矿安全,2013(10):129-134.

低频电磁信号 篇9

随着煤矿信息化建设进程的加快,如何保证煤矿安全、高效生产,对矿层无线透地通信的研究提出了更高要求。煤质结构极为复杂,导致矿层中的电磁环境和电导率分布不均,因此,对电磁波在矿层中的传播特性进行研究尤为重要[1]。甚低频无线透地系统是一种使用电磁波穿透地层的通信技术[2]。甚低频电磁波具有传播衰减系数小、抗干扰能力强且稳定等特性。矿井发生事故时,甚低频无线透地系统的信道特性不会受到灾害的影响,因此该系统是较可靠的矿用通信手段之一。甚低频电磁波在矿层中的传播特性决定了信号在穿透矿层传输过程中的完整性、流畅性。本文通过麦克斯韦方程组对甚低频电磁波在矿层中的传播特性进行研究,为下一步研发矿层无线透地系统提供理论依据。

1甚低频电磁波在矿层中的传播模型

1.1甚低频电磁波在矿层中传播的基本方程

甚低频电磁 波在矿层 中传播满 足麦克斯 韦方程:

式中:▽ 为del算子;D为电通量密度;B为磁通量密度;E为电场强度;t为时间;H为磁场强度;J为电流密度;ε为介电常数;μ为磁导率;σ为电导率。

通过式(1)—式(7),得传播系数:

式中:ω 为电磁波的角频率;α为衰减常数;β为相位常数。

矿层在甚低频电磁波传播情况下,满足矿层为良导体,即传导电流密度远大于位移电流密度,矿层的等效复介电常数近似为

矿层中的衰减常数和相位常数均为

式中:f为甚低频电磁波的频率。

趋肤深度为

趋肤深度是判断电磁波从巷道穿透地层达到地面时,能否保持良好的信号完整度的重要依据。

矿层的本征阻抗为

可看出在矿层中磁场强度的相位滞后电场强度45°。

矿层中电磁波的相速为

甚低频电磁波波长为

1.2矿层中的电磁参数

由于甚低频电磁波用于矿层无线透地通信时需在结构极其复杂的大地介质中传播,而矿层煤质属于半导体介质,在甚低频电磁波频率下,矿层煤质为良导体。为了使地面接收端能够比较准确地接收到井下发射信号,需分析矿层的具体结构和各层的相关电磁参数,进而分析这些参数对甚低频电磁波传播的影响。

1.2.1矿层介电常数

矿层介电常数与发射极频率、地质温度、地质湿度有关。干燥矿层的介电常数对甚低频电磁波来说基本不变。由于矿层地质结构极其复杂,细致分析矿层的介电常数非常困难,所以一般采用其平均介电常数εc:

式中:h为所测矿层的厚度;n为矿层的岩层数;εi为单层矿层的介电常数;hi为单层矿层的厚度。

1.2.2矿层磁性

矿层各岩层是典型的抗磁体,本身无磁性,且其磁导率与真空中区别不大。电磁场的磁分量在空气与矿层分界面 上没有变 化,因此矿层 中的磁导 率 μ=μ0=4π×10-7H/m,其中μ0为空气的磁导率。

1.2.3矿层电导率

电磁波在矿层传播时,煤质的电导率对电磁波的衰减影响较大,而岩层的构造复杂多变,各层的电导率也不同,且相同层的电导率不恒定,受各种因素的影响而变化。当电磁波频率为50 Hz~50kHz时,所有岩层的电导率与频率之间只有极其微弱的关系。

根据矿层地质观测结果和实验数据,计算出常见岩层的电导率,见表1。计算时平均电导率表达式为

式中:σi为单层矿层的电导率。

2甚低频电磁波在矿层中的传播特性

2.1矿层测试模型

以某煤矿的钻孔资料[3]为基础,根据矿井巷道以上围岩的分布情况建立矿层测试模型。建模过程中,由式(17)得矿层平均介电常数为5.3F/m,由式(18)得矿层平均电导率为6×10-3,1.77×10-2,2.5×10-2S/m。甚低频电磁波频率为3kHz≤f≤30kHz。

2.2甚低频电磁波在矿层中的趋肤深度

由式(13)计算在不同矿层电导率情况下,甚低频电磁波从巷 道进入矿 层后的趋 肤深度,结果如图1所示。可看出甚低频电磁波频率越小,趋肤深度越大,电磁波穿透性越强;在同一频率下,矿层的电导率越小,趋肤深度越大,电磁波穿透性越强。

2.3甚低频电磁波在巷道与矿层分界面、矿层与地面分界面的传播方向

矿井巷道内,天线发射的甚低频电磁波传播到巷道与矿层分界面时发生透射现象。根据菲涅耳定律,折射公式为

式中:θ1为入射角;θ2为透射角;r2,r1分别为矿层和空气的相对折射率;r′2,r′1分别为矿层和空气复折射率的实部;r为折射率;ε0为空气的介电常数。

由式(20)得甚低频电磁波由矿井巷道向矿层传播时入射角与折射角的关系,如图2所示。可看出电磁波频率越大,折射角越小;矿层电导率越大,折射角越小。由于折射角变化范围极小,所以甚低频电磁波总是近似垂直巷道与矿层的分界面而传播。

由式(20)得甚低频电磁波由矿层向地面传播时入射角与折射角的关系,如图3所示。可看出此时临界角非常小。当甚低频电磁波穿透矿层与地面分界面传播时,入射角大于临界角,甚低频电磁波将发生全反射。

3结语