基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

余濤

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

余濤

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，技術(shù)與人們的生活息息相關(guān)，在現(xiàn)代的生活中很難離開(kāi)技術(shù)，技術(shù)在人們的現(xiàn)實(shí)生活中扮演著重要的角色。在電力行業(yè)的領(lǐng)域中，電力事業(yè)在很多方面都有用到科學(xué)技術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)給電力領(lǐng)域帶來(lái)了很大的便捷，而且在一定程度上大大地提高了工作效率，也加快了電路在輸送過(guò)程中的能力。本文主要是對(duì)單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器的原理進(jìn)行了介紹以及電路的設(shè)計(jì)。

單片機(jī) 電力行業(yè) 低壓脈沖

1 引言

快速地找到電力電纜中存在的故障點(diǎn)，對(duì)于供電可靠性的提高有很大的改善，另外，當(dāng)出現(xiàn)停電的情況時(shí)候，可以使得損失得到減少。關(guān)于研究電纜中的故障點(diǎn)目前已經(jīng)有很多的學(xué)者都對(duì)這方面進(jìn)行了研究，并取得了一定的成就。通過(guò)采用低壓脈沖的方法進(jìn)行故障的測(cè)距的技術(shù)已經(jīng)日益普遍，也是目前在短路以及電力電纜的電阻中采用很廣泛額一門(mén)技術(shù)。關(guān)于低壓脈沖的主要原理就是將一個(gè)發(fā)射脈沖增加到電纜始端，當(dāng)脈沖傳播到有故障存在的地方的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)反射的情況，接著反射脈沖就會(huì)出現(xiàn)來(lái)回進(jìn)行傳播，故障點(diǎn)到測(cè)試端之間的距離是通過(guò)對(duì)發(fā)射脈沖估計(jì)發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行得出的。

2 單片機(jī)對(duì)電路控制的優(yōu)勢(shì)

電路的控制主要是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)比晶體振蕩器以及分頻器脈沖有著更重要的意義。脈沖中的寬度以及頻率的調(diào)整是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。輸入輸出接口的信息的獲取也是需要單片機(jī)的參與，窄脈沖的產(chǎn)生也是需要單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)，基于單片機(jī)的低壓脈沖在驅(qū)動(dòng)力方面以及操作速度上得到了很大程度提高。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器可以保證供電的可能性同時(shí)還能夠在出現(xiàn)停電的情形之下將損失盡量地減少。針對(duì)目前的發(fā)展情況而言，關(guān)于對(duì)故障進(jìn)行定位的研究已經(jīng)日益成熟。低壓脈沖法的使用也十分普遍，本文針對(duì)低壓脈沖法的原理進(jìn)行了詳細(xì)分析與介紹。系統(tǒng)的總體電路圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體電路圖

本文設(shè)計(jì)的低壓脈沖的產(chǎn)生是通過(guò)單片機(jī)I/O口和脈沖變壓器自身的靈活性實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的組成是由兩部分電路組成的，分別是控制電路以及主脈沖產(chǎn)生電路?？傮w結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

4 控制電路

本文需要采用MOSFET觸發(fā)電路，控制脈沖輸出就是指編寫(xiě)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。控制電路中所包括的主要有單片機(jī)，MOSFET觸發(fā)電路以及按鍵操作和LED的顯示。對(duì)于系統(tǒng)的窄脈沖其主要的組成部分是單片機(jī)，低壓脈沖發(fā)生器的整個(gè)裝置是通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制的。而其中電路的LED的功能是將脈沖中的相關(guān)信息呈現(xiàn)在界面中，而所謂的按鍵輸入電路的操作主要是為了實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器相互進(jìn)行溝通，脈沖中的頻率需要進(jìn)行調(diào)整主要是根據(jù)按鍵輸入電路中的相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。為了將隔離的信息進(jìn)行擴(kuò)大，系統(tǒng)電路中用到了MOSFET觸發(fā)電路，電路中的信號(hào)控制是很難通過(guò)單片機(jī)直接實(shí)現(xiàn)的。從而就會(huì)選擇用到MOSFET觸發(fā)電路。所謂控制脈沖的主要目的是通過(guò)相關(guān)的程序從而將電路中的相關(guān)信息進(jìn)行清零處理。

本文設(shè)計(jì)的低壓脈沖器處于短脈沖的工作狀態(tài)下，輸出脈沖是同方波，考慮到單片機(jī)所形成的方波的頻率是10MHz，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面需要保持后沿下降速度快，同時(shí)高壓信號(hào)無(wú)法進(jìn)入到控制回路中，所以系統(tǒng)就設(shè)計(jì)了MOSFET觸發(fā)器電路，通過(guò)該電路能夠?qū)崿F(xiàn)觸降落小的目的。下圖3為脈沖形成原理圖。

圖3 脈沖形成原理圖

5 MOSFET觸發(fā)電路

脈沖發(fā)生電路中主要包括的有MOSFET觸發(fā)器以及脈沖變壓器和阻抗等，而關(guān)于MOSFET的所有特點(diǎn)中最重要的即是驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。系統(tǒng)中的脈沖幅度是300V，其中等效負(fù)載設(shè)定的是100Ω，從而能夠得到變壓器的標(biāo)稱功率。MOSFET觸發(fā)電路（圖4）的特點(diǎn)是導(dǎo)通的速度以及關(guān)斷的速度都很快，由于這種特點(diǎn)從而形成的脈沖比較窄，當(dāng)MOSFET觸發(fā)電路是保持開(kāi)通的狀態(tài)時(shí)，電荷會(huì)形成吸收的現(xiàn)象，當(dāng)MOSFET觸發(fā)電路關(guān)閉的時(shí)候，電荷就會(huì)出現(xiàn)放電的情形，從而驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)觸電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，在驅(qū)動(dòng)力的作用下可以實(shí)現(xiàn)放電以及吸收電荷的效果。最終達(dá)到了對(duì)電力電纜的故障進(jìn)行檢測(cè)的目的。因此需要將MOSFET觸發(fā)的脈沖進(jìn)行調(diào)整為0，這樣才能夠起到電荷吸附的作用。一般而言，進(jìn)行升降結(jié)合的MOSFET觸發(fā)脈沖的工作狀態(tài)是最為理想的。

圖4 MOSFET觸發(fā)電路

6 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

如果阻抗匹配得比較好的話，那么脈沖發(fā)生器在負(fù)載能力方面就會(huì)增強(qiáng)，將電纜接通之后發(fā)射脈沖的幅值在衰減程度方面不會(huì)很大。當(dāng)接收到了反射波以后，此時(shí)的故障點(diǎn)也就是所謂的激勵(lì)源，負(fù)載是發(fā)生器，這個(gè)時(shí)候反射波的幅值以及形狀會(huì)手阻抗匹配性能的影響。阻抗匹配是在脈沖變壓器的設(shè)計(jì)中進(jìn)行，將阻抗匹配調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)加入到輸出電路的時(shí)候。能夠在一定范圍內(nèi)對(duì)阻抗值以及輸出脈沖的的值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，本論文采用的形式是電阻網(wǎng)絡(luò)匹配。

當(dāng)故障產(chǎn)生點(diǎn)和電纜出口之間距離遠(yuǎn)時(shí)，考慮到脈沖經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力消耗就大，因此會(huì)采集到微弱的信號(hào)，此時(shí)解決方法是增加脈沖的電壓幅值。

7 磁芯的選擇

磁芯選擇的時(shí)候需要根據(jù)按鍵的輸入電路中的相關(guān)信息進(jìn)行輸入，根據(jù)一些輸入信息適當(dāng)?shù)卣{(diào)整脈沖的頻率以及寬度；LED的參數(shù)會(huì)隨著脈沖變壓器的工作狀態(tài)不同而不同。選擇的脈沖的瞬時(shí)頻率是10MHz，設(shè)計(jì)中的脈沖速度的要求是前沿上升很快，而且同時(shí)也有很快的后沿下降速度。然而該脈沖的降落和平頂過(guò)沖的速度相對(duì)而言不是很大。所以將電容以及漏感的分布設(shè)置加入其中是很有必要的。同時(shí)在芯片的選擇中關(guān)于各種損耗的因素暫時(shí)不需要考慮進(jìn)去。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇的磁芯是鐵氧體磁環(huán)，這種磁芯所具有的特點(diǎn)是耦合系數(shù)很高。磁芯的尺寸計(jì)算公式如下：

其中公式中的具體參數(shù)介紹如表1所示。

表1 具體參數(shù)介紹

8 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)今的設(shè)備更新速度的飛速發(fā)展，以及多方面所承受的工作量的加大，在開(kāi)展工作的過(guò)程中很容易引起各種故障，為了阻止這些突發(fā)情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文主要是介紹了基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器，文中介紹了低壓脈沖的原理，以及電路的設(shè)計(jì)，在電子工業(yè)領(lǐng)域中，低壓脈沖器起到了很大的作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其中選擇的頻率是100MHz的，而且寬度最小是0.14μs，電壓的值達(dá)到了300V以上，同時(shí)電壓的值是可以根據(jù)情況的不同性而進(jìn)行調(diào)整的。隨著電力技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)于脈沖發(fā)生器的研究十分普遍，而且有著重要的影響意義。

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