基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張嵐

【摘 要】隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國電力行業(yè)得到了飛速的發(fā)展與進(jìn)步。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，經(jīng)常存在著電力電纜短路或者線路故障的情況，進(jìn)而對系統(tǒng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定、可靠、高效有著一定的影響。因此，一定要加強(qiáng)對單片機(jī)低壓脈沖發(fā)生器的研究。本文主要對基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的分析與探討。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；低壓脈沖發(fā)生器；設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，經(jīng)常存在著一些電纜故障，影響著電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對這樣的情況，需要對其電纜故障進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的定位，找出相應(yīng)的故障點(diǎn)進(jìn)而才可以予以解決，這樣不僅可以提高供電的安全性、可靠性與穩(wěn)定性，還可以有效的降低線路損耗。現(xiàn)階段，最為常用的故障測距法就是低壓脈沖法，這樣就可以很好的解決上述問題，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供可靠保障。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的低壓脈沖發(fā)生器系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)輸入輸出端口與脈沖變壓器產(chǎn)生的脈沖以及對其控制形成的系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括兩個部分：控制電路和脈沖發(fā)生電路。

1.1控制電路

控制電路主要包括單片機(jī)、發(fā)光二級管（LED）顯示、按鍵輸入、金氧半場效晶體管（MOSFET）觸發(fā)電路以及控制脈沖輸出。單片機(jī)主要就是系統(tǒng)中5V窄脈沖的關(guān)鍵組成部分，并且其控制著整個裝置；LED的主要作用就是對目前脈沖參數(shù)信息進(jìn)行相應(yīng)的顯示；按鍵輸入的主要作用就是達(dá)到人機(jī)交互的界面，根據(jù)按鍵輸入的相關(guān)信息調(diào)節(jié)脈沖的頻率與寬度；MOSFET觸發(fā)電路的主要作用就是放大以及隔離信息，因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的波動不足以完全控制相應(yīng)的信號，并且在控制回路中也沒有辦法加入一些高壓信號，因此需要采用MOSFET觸發(fā)電路；控制脈沖輸出就是指編寫相應(yīng)的程序使單片機(jī)執(zhí)行清零等操作，進(jìn)而達(dá)到輸出脈沖的目的。

1.2脈沖發(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路主要包括MOSFET觸發(fā)電路、脈沖變壓器、調(diào)壓裝置以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。其中MOSEFT觸發(fā)電路最明顯的特點(diǎn)就是因?yàn)轵?qū)動電路比較簡單，所以，相對的驅(qū)動功率也就比較小，并且還具備開關(guān)速度快以及工作頻率高等優(yōu)勢，能夠?qū)τ|發(fā)信號進(jìn)行快速的反應(yīng)，并且也可以對制脈沖變壓器的通斷情況進(jìn)行有效的控制；脈沖變壓器的通斷情況主要是由MOSFET觸發(fā)電路進(jìn)行控制的，并且在短時(shí)間內(nèi)也可以隨著MOSFET觸發(fā)電路的開關(guān)狀態(tài)展開相應(yīng)的操作，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，經(jīng)過耦合之后就可以進(jìn)行相應(yīng)的輸出；調(diào)壓裝置的主要作用就是調(diào)節(jié)脈沖電壓的幅值；阻抗匹配主要是由脈沖變壓器完成的，可以發(fā)揮出一定的微調(diào)作用，進(jìn)而對不同的應(yīng)用場所進(jìn)行一定的適應(yīng)。

2.MOSFET觸發(fā)電路

金氧半場效晶體管（MOSFET）在電力電子元件中發(fā)揮的作用主要就是控制電壓，在柵極與漏極之間施加一定的電壓就可以促進(jìn)源極與漏極的導(dǎo)通，假如設(shè)定的電壓比比較低的話就會自動斷開。金氧半場效晶體管是現(xiàn)階段導(dǎo)通與斷開速度比較快的電子元件，所以，我們可以利用此項(xiàng)特點(diǎn)形成相應(yīng)的窄脈沖。但是因?yàn)槠鋿艠O具備吸收電容的特點(diǎn)，在導(dǎo)通的狀態(tài)下就會吸收相應(yīng)的電荷，所以，觸發(fā)脈沖具備相應(yīng)的驅(qū)動性能，并且能夠達(dá)到在斷開的狀態(tài)下吸收電荷。處在理想狀態(tài)下的金氧半場效晶體管觸發(fā)脈沖一定要具備陡升陡降的特點(diǎn)，并且在降至零之后就開始吸收電荷。本文設(shè)計(jì)的低壓脈沖發(fā)生器系統(tǒng)也是使用了一個金氧半場效晶體管與脈沖變壓器，其工作的電壓級為5V，單片機(jī)的輸入輸出端口就會產(chǎn)生5V脈沖，之后金氧半場效晶體管被觸發(fā)，而其通斷情況也就決定了脈沖變壓器的導(dǎo)通狀態(tài)，并且對脈沖變壓器中產(chǎn)生的主脈沖進(jìn)行控制。

3.脈沖變壓器

一般在開展電路故障測距的時(shí)候均是采用低壓脈沖法，并且其測試信號采取的是負(fù)脈沖，為了確保測試的效果，事先就要隔離電纜以及相應(yīng)的測試電路，并且也要求具有相應(yīng)的阻抗匹配，在電路的主要部分應(yīng)用脈沖法。脈沖電壓器的作用還包括實(shí)現(xiàn)脈沖電流以及電壓的變換，同時(shí)也可以對脈沖的極性以及阻抗進(jìn)行一定的改變，除此之外，還可以對電氣進(jìn)行一定的隔離操作，因此，脈沖變壓器是設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的最佳方式。

3.1等效電路

在脈沖變壓器等效電路中主要包括一個勵磁電感、兩個線圈漏感、兩個線圈電阻、一個初級線圈電容、一個次級線圈電容、一個線圈間電容以及一個等效電阻如圖1所示。其中等效電阻就是發(fā)揮磁芯磁滯以及渦流的作用。

圖1 脈沖變壓器等效電路圖

3.2磁芯的選擇

在系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)下，脈沖變壓器的工作參數(shù)也是存在著一定差異的。在本設(shè)計(jì)中，脈沖變壓器主要就是處在短脈沖的運(yùn)行狀態(tài)下，其瞬時(shí)頻率為10兆赫茲，在設(shè)計(jì)中要求其脈沖具有很快的前沿上升與后沿下降速度，但是其降落與平頂過沖要比較小。因此，一定要加強(qiáng)電容與漏感的分布設(shè)置，并且在這個過程中可以盡可能忽略相應(yīng)的損耗影響。在該系統(tǒng)中主要選用的是鐵氧體磁環(huán)當(dāng)做是磁芯，具有耦合系數(shù)比較高的特點(diǎn)。在選擇其尺寸的時(shí)候，可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

S1×S2=PT×106/2ηBWfδKMKC （1）

式中：S1—磁芯截面面積

S2—磁芯窗口面積

PT—變壓器標(biāo)稱功率

η—變壓器效率指數(shù)

BW—最大磁感應(yīng)密度

f—工作頻率

δ—繞組中電流密度

KM—窗口填充系數(shù)

KC—磁芯填充系統(tǒng)

設(shè)定系統(tǒng)的等效負(fù)載是100歐姆，脈沖幅度是300伏，進(jìn)而可以知道變壓器標(biāo)稱功率為900瓦，設(shè)定變壓器效率指數(shù)是0.9，瞬時(shí)頻率值是10兆赫茲，根據(jù)選用的鐵氧體磁環(huán)而言，其磁芯填充系數(shù)是1，窗口填充系數(shù)是0.2，最大磁感密度是0.15，根據(jù)公式（1）就可以計(jì)算出磁環(huán)的具體尺寸。

3.3線圈的選擇

初級線圈匝數(shù)的計(jì)算公式如下：

N1=（Umax×0.5×103）/（4Bm×SP×f） （2）

式中：Umax—最高瞬時(shí)電壓

Bm—最大磁感應(yīng)密度

SP—磁芯面積乘積，SP=S1×S2

f—工作頻率

次級線圈匝數(shù)的計(jì)算公式如下：

N2=nN1 （3）

式中：n—變壓器變比

4.阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

脈沖發(fā)生器的負(fù)載能力與阻抗匹配的性能之間有著非常密切的聯(lián)系，只有在具備良好阻抗匹配的情況下，才可以確保系統(tǒng)在連接電纜之后發(fā)出的脈沖幅值不會出現(xiàn)大幅度的衰減。在對反（下轉(zhuǎn)第84頁）（上接第72頁）射波進(jìn)行接收的時(shí)候，可以將故障點(diǎn)當(dāng)成是激勵源，將發(fā)生器本身當(dāng)成是負(fù)載，此時(shí)對反射波形狀與幅值有著一定影響程度的因素也包括阻抗匹配。阻抗匹配的設(shè)置主要是在設(shè)計(jì)脈沖變壓器的時(shí)候展開，但是假如將阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在輸出電路當(dāng)中，就可以在一定程度上達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖幅值以及阻抗值的目的，進(jìn)而可以再不同的測試條件下進(jìn)行正常使用。

5.測試

在完成單片機(jī)低壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)之后，要對其進(jìn)行相應(yīng)的測試。利用相應(yīng)的示波器對波形進(jìn)行采集與觀察。當(dāng)出現(xiàn)因?yàn)槎搪范鴮?dǎo)致的電纜故障時(shí)，發(fā)射脈沖與反射脈沖體現(xiàn)出同極性，在此基礎(chǔ)上，將其脈沖寬度設(shè)置為0.14微秒檔上，呈現(xiàn)出形狀良好的波形；但是，當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖體現(xiàn)出反極性的時(shí)候，將其脈沖寬度設(shè)置在0.5微秒檔上，其脈沖主要是方波。

6.結(jié)束語

總而言之，本文針對單片機(jī)低壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的分析與探討，并且對設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了一定的闡述，同時(shí)還對MOSFET觸發(fā)電路、脈沖變壓器以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等組成部分進(jìn)行了相關(guān)的分析與研究，闡述了測試系統(tǒng)的方式，進(jìn)而為相關(guān)使用提供可靠依據(jù)。 [科]

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