瞬變電磁探測發(fā)射機的設(shè)計

1、瞬變電磁探測發(fā)射機的設(shè)計摘要：介紹了基于瞬變電磁法原理的發(fā)射機，為了快速獲取早期的瞬變信號，采用高速開關(guān)電路，可以滿足us級關(guān)斷時間的要求；在滿足足夠發(fā)射功率情況下，為保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，在設(shè)計中加入了過沖吸收電路和過流保護電路，并設(shè)計了高速采集模塊，對發(fā)射電流和關(guān)斷時間進行記錄和實時顯示。整個電路采用Phlips公司的單片機P89C58X2進行控制。關(guān)鍵詞：瞬變電磁；發(fā)射機；關(guān)斷電流為了實時檢測，系統(tǒng)中加入了電流傳感器模塊，通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集和檢測發(fā)射電流和關(guān)斷時間，并對關(guān)斷沿進行記錄，以便后期對一次場進行數(shù)據(jù)處理。圖1IRF3205橋路2驅(qū)動及保護單元設(shè)計2.1驅(qū)動電路設(shè)計國際

2、上，各個MOSFET生產(chǎn)廠家或公司，在推出其MOSFET的同時，都會推出與之配套的柵極驅(qū)動電路,使得驅(qū)動電路與MOSFET得到最優(yōu)搭配。IR2110S也是美國國際整流器公司的產(chǎn)品，其利用獨有的高壓集成電路及無閂鎖CMOS技術(shù)，大大簡化了MOSFET驅(qū)動電路，同時能實現(xiàn)對MOSFET最優(yōu)驅(qū)動。如圖2所示為采用IR2110S的驅(qū)動電路。圖2采用IR2110S的驅(qū)動電路2.2過流保護單元設(shè)計在大功率系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，驅(qū)動和保護電路成為系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，不論是采用晶閘管、BJT、IGBT還是MOSFET，其驅(qū)動電路對系統(tǒng)來說具有舉足輕重的地位，在本設(shè)計中橋路開關(guān)元件采用美國國際

3、整流器公司IR(InternationalRectifier)推出的IRF3205型HEXFETPowerMOSFET，結(jié)合實際的電路參數(shù)和指標(biāo)，采用了該公司的IR2110S作為驅(qū)動芯片，驅(qū)動保護單元如圖3所示。為防止系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過流現(xiàn)象，從而造成系統(tǒng)的嚴(yán)重損壞，因此對于像電磁發(fā)射系統(tǒng)這樣的大功率型系統(tǒng)來說，進行過流保護是必不可少的。過流保護電路的設(shè)計方法很多，因過流檢測方式的不同而不同，為簡化過流保護電路同時保證保護電路的穩(wěn)定性和可靠性，結(jié)合IR2110S設(shè)計如圖4所示的過流保護電路，該電路采用電流傳感器檢測發(fā)射回線負載中的電流，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時，由比較器U1輸出高電平，使得IR

4、2110S保護信號輸入端置高，其輸入信號全部封鎖，對應(yīng)驅(qū)動輸出端恒為低電平，實現(xiàn)對IRF3205的保護。過流信息同時通過光耦通知主控單元并上傳給上位機。當(dāng)電路小于設(shè)定電流時，保護封鎖解除。其中Csd是主控單元的啟動發(fā)射控制信號，與過流保護信號共同對IR2110S的SD引腳的控制。R20將電流傳感器感應(yīng)的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，檢測電路中并聯(lián)C20、C21以防止誤保護，對尖峰過沖進行濾波處理圖4過流保護電路3發(fā)射電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計3.1發(fā)射電流關(guān)斷波形記錄單元的設(shè)計本系統(tǒng)采用北京科海電子技術(shù)有限公司的電流傳感器模塊KT100/P磁平衡式流傳感器來獲取采樣電流?？坪ｋ娏髂K是利用霍爾效應(yīng)，采用磁補

5、償原理，被測回路與測量回路絕緣?？蓽y直流、交流、脈動電流頻率范圍0100KHz，測量電流正比于被測電流。由于電流傳感器的磁耦合實現(xiàn)手段，就限制了電流傳感器的電壓變化率跟不上關(guān)斷波形的快速變化，這樣真實的電流波形在輸出端被變形，還形成了較大的過沖，而從實際發(fā)射線圈上監(jiān)測，過沖通過電流傳感器之后明顯被放大了。為了高速、準(zhǔn)確、不失真地記錄發(fā)射電流關(guān)斷波形，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)射線圈中直接串入純電阻能夠很好的解決電流傳感器采樣的信號變形問題。通過取樣電阻的合理選取和前端放大電路的合理設(shè)計，就能夠在AD輸入端上獲得比較干凈的發(fā)射電流關(guān)斷波形。論文綜合考慮了AD轉(zhuǎn)換量程和串入電阻對發(fā)射機發(fā)射電流影響等因素，選用

6、了兩個0.05Q相串接的純電阻串行接入發(fā)射線圈中。這兩個電阻不能夠選用阻值再大的，雖然電阻越大，取樣的信號信噪比越高，但是因為發(fā)射線圈電阻約為1Q左右，如果取樣裝置電阻較大，就會減小發(fā)射電流，對發(fā)射機效果產(chǎn)生影響。電阻取樣原理示意圖如圖5所示。3.2發(fā)射電流波形及關(guān)斷時間采集單元的設(shè)計電流波形記錄采用凌特公司生產(chǎn)的高速AD:LTC1412(12BIT，3M)，雙極性：士2.5V。由于其內(nèi)部帶有基準(zhǔn)源和米樣保持器，因此可以有效的減少孔徑誤差，內(nèi)部并集成了采集邏輯控制單元，在采樣時鐘的控制下能自主的實現(xiàn)流水線采集。從科海模塊得到的電流信號經(jīng)過信號放大、濾波等信號調(diào)理電路輸入給LTC1412進行采集

7、，通過FIFO實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)緩存。圖5電流取樣原理發(fā)射電流關(guān)斷時間的測量是通過定時計數(shù)器來完成的，其原理如圖6所示。同步時鐘的下降沿觸發(fā)定時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)電流下降到零時停止計數(shù)，同時時序電路鎖存當(dāng)前計數(shù)值，在計數(shù)器未讀前防止再次觸發(fā)計數(shù)。因此根據(jù)測量信號的特性，設(shè)計了關(guān)斷時間測量電路，同電流波形記錄一樣，科?；魻栯娏鱾鞲衅鲗Πl(fā)射電流信號取樣，通過前置放大和濾波電路，進行信號調(diào)理，這部分電路與電流波形記錄單元共用一套，由于發(fā)射的電流是雙極性的方波，霍爾傳感器感應(yīng)回來的電流信號也是雙極性的，為了適應(yīng)后面比較電路、電路中設(shè)計了絕對值電路將負信號取正，電流信號經(jīng)過絕對值電流后進入過零比較器，輸入給計

8、數(shù)時序控制邏輯。單片機對定時計數(shù)器設(shè)置完畢啟動關(guān)斷時間測量后，由同步時鐘觸發(fā)對時鐘信號計數(shù)，當(dāng)電流關(guān)斷到零時停止計數(shù)并鎖存定時計數(shù)器等待控制系統(tǒng)讀取關(guān)斷時間，讀完之后，設(shè)置定時計數(shù)器以測量下一個下降沿關(guān)斷時間。圖6電流關(guān)斷時間米集時序4結(jié)束語本文分析設(shè)計的瞬變電磁探測發(fā)射機，采用新型MOSFET器件，設(shè)計了穩(wěn)定的發(fā)射橋路及其驅(qū)動電路，實現(xiàn)了大電流發(fā)射以及對發(fā)射電路的發(fā)射電流、關(guān)斷延遲時間等參數(shù)的實時檢測與存儲，方便了數(shù)據(jù)后期處理；實現(xiàn)了發(fā)射電路的可靠控制，具有防止過流、欠壓的保護措施。參考文獻：鄭凱.瞬變電磁資料處理軟件研制的探討J.內(nèi)蒙古石油化工，2007(1).徐瑞亞基于DSP的瞬變電磁探測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J.中國科技信息,2008(24).周國華基于DSP的瞬變電磁探測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)D.長春:吉林大學(xué)，2006.周國華，林君，周