探究基于單片機的低壓脈沖發(fā)生器研制

李釗海 鄧玉賞

（賀州學院，廣西 賀州 542800）

探究基于單片機的低壓脈沖發(fā)生器研制

李釗海 鄧玉賞

（賀州學院，廣西 賀州 542800）

科學技術的迅猛發(fā)展使其在人民群眾的生活及生產(chǎn)中都發(fā)揮著不容小覷的作用，其在電力工業(yè)發(fā)展的過程中也占據(jù)著至關重要的地位，比如說，將電子設備引入電力生產(chǎn)、電力控制以及電力傳輸中，不僅提高了電力工業(yè)的效率，而且還促進了電力輸送能力的提升。然而，由于對先進設備的不斷更換以及工作內(nèi)容的逐漸增加，在輸電的過程中，電纜容易出現(xiàn)各種各樣的故障。因此，為了避免上述故障，對于單片機低壓脈沖發(fā)生器的相關研制工作勢在必行。

單片機；低壓脈沖發(fā)生器；電纜故障；研制

對電纜故障部位進行快速且準確的定位可以確保可靠性供電，將停電造成的損失降到最低。近幾年來，相關研究者對故障定位發(fā)提出了新的見解。就目前來看，低壓脈沖法是一種被人們廣泛接受且采納的測量電纜低阻、電纜斷路以及電纜短路等故障的方法，其工作原理為：將發(fā)射脈沖施加于電纜的始端，當此脈沖經(jīng)過電纜故障點時就會產(chǎn)生相應的反射，緊接著反射脈沖將向回傳播，通過對發(fā)射脈沖以及反射脈沖的時間差進行檢測，便可得出測試點距離故障點的長度，十分的便利快捷[1]。本文主要對以單片機為基礎的低壓脈沖發(fā)生器的相關研制原理進行了詳細的分析，并且對脈沖形成電路的整體步驟進行了重點的探討，希望能給相關研究人員提供不同程度的參考價值。

1 研制原理

本文所研制的低壓脈沖發(fā)生器主要通過對單片機的輸入及輸出端口進行有效的利用，從而使其產(chǎn)生相應的脈沖，并且應用此脈沖來控制電路，其主要包含兩個方面，即控制電路以及脈沖形成電路。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 有關控制電路的分析

控制電路包含的步驟較多，例如單片機、按鍵輸入、MOSFET的觸發(fā)電路、控制脈沖的輸出、LED等等。其中，單片機就是電力系統(tǒng)內(nèi)5V窄脈沖的重要構(gòu)成元素，其對整個裝置進行控制；按鍵輸入負責實現(xiàn)人機交互的相關界面，其能夠依照相關信息的輸入對脈沖頻率以及脈沖寬度進行合理的調(diào)節(jié)；觸發(fā)電路主要負責信息的隔離與放大，由于單片機所產(chǎn)生的小范圍波動無法對信號進行完全的控制，且無法將高壓信號加入控制回路，所以必須采取MOSFET的觸發(fā)電路；控制脈沖的輸出指的是將相關的程序進行編寫，促使單片機實施清零操作，從而實現(xiàn)脈沖的輸出；LED的功能就是顯示當前脈沖的參數(shù)信息[2]。

圖2 脈沖形成原理圖

1.2 有關脈沖形成電路的分析

脈沖形成電路包括較多的步驟，比如說MOSFET觸發(fā)電路、調(diào)壓裝置、脈沖變壓器、阻抗匹配等等。由于MOSFET觸發(fā)電路在對電路進行驅(qū)動時較為簡單，因此，其驅(qū)動功率相對較小，開關速度較快，工作頻率較高，不僅可以快速反應出觸發(fā)信號，而且還能夠很好地控制脈沖變壓器的相關通斷狀況；調(diào)壓裝置負責對脈沖電壓的相對幅值進行調(diào)節(jié)；脈沖變壓器在通斷狀況方面由MOSFET觸發(fā)電路所控制，其能夠根據(jù)MOSFET觸發(fā)電路的運作狀態(tài)在短期內(nèi)進行對應的操作，從而出現(xiàn)脈沖，通過耦合進行輸出工作；脈沖變壓器進行阻抗匹配，從而促使其具備微調(diào)作用，適應各種的場所。

2 探討MOSFET的觸發(fā)電路

MOSFET是一種電力電子元件，其主要采取電壓控制的方式開展工作，通過施加相應的電壓于柵極和漏極間的方式便能夠疏導對應的源極和漏極，如果低于所設置的電壓，則會自動斷掉[3]。MOSFET屬于目前速度最為快捷的導斷元件，因此，我們可以對其這一特征進行利用，從而產(chǎn)生相關的窄脈沖。然而，由于柵極具有電容吸收性，處于疏通狀態(tài)下的柵極會對電荷進行相應的吸收。若MOSFET出現(xiàn)驟升驟降且在歸零后吸收電荷的現(xiàn)象時，則其便處于最為理想的狀態(tài)。本文所研制的低壓脈沖發(fā)生器配備了MOSFET以及脈沖變壓器，當其采用5V的電壓級進行工作時，單片機在輸入以及輸出的端口處便會有5V的脈沖產(chǎn)生，緊接著MOSFET就會被觸發(fā)[4]。MOSFET的通斷狀態(tài)對于脈沖變壓器的對應狀態(tài)發(fā)揮著決定性的作用，此外，其還控制著變壓器中的主脈沖。

圖3 有關MOSFET的觸發(fā)電路

3 探討脈沖變壓器

在對低壓脈沖法的相關電纜故障進行距離的測量中，往往采用負脈沖來進行測試，此時，必須將測試的電路與電纜相互隔離，且對阻抗匹配提出相應的要求，只有這樣才能夠獲得理想的測量效果。在進行測試的環(huán)節(jié)中，要對脈沖部分進行重點的檢測，而脈沖變壓器則能夠?qū)﹄妷号c電流進行更好的轉(zhuǎn)化，達到電氣隔離的目的。

3.1 有關等效電路的探討

等效電路主要由勵磁電感（L′μ）、線圈電阻（R1′與R2）、線圈漏感（LS1′與LS2）、線圈電容、線圈間電容（C1、C2與C12）以及等效電阻（RB′）等構(gòu)成，如圖4所示：

圖4 等效電路圖

3.2 有關磁芯的選擇

在不同的工作狀態(tài)下，脈沖變壓器的相關參數(shù)也有所不同。脈沖變壓器在工作時所需的脈沖很短，其瞬時頻率大致為10MHz左右，這就要求脈沖在前沿上升及后沿下降的速度要快，在平頂過沖及降落時的幅度要小[5]。所以，分布電容與漏感發(fā)揮著極其重要的作用，此時可以忽略耗損量。

3.3 有關線圈的選擇

對于初級線圈匝數(shù)的相關計算公式，如下所示：

在上述計算公式中，Umax表示瞬時電壓的最大值，Bm表示磁感應密度的最大值，Sp（Sp=S1*S2）表示磁芯面積相乘所得的值，f表示工作的頻率。

對于次級線圈匝數(shù)的相關計算公式，有N2=nN1，在上述計算公式中，n表示變壓器的變化值。

4 探討阻抗的匹配

只有將阻抗進行良好的匹配，脈沖發(fā)生器才能具備較強的負載能力，在電纜接入后，其發(fā)射脈沖的幅值才不會出現(xiàn)過大衰減的現(xiàn)象。當對反射波進行接收時，故障部位就充當了激勵源的角色，發(fā)生器則扮演了負載的角色，此時，阻抗的匹配優(yōu)劣對于反射波的形狀以及幅值都產(chǎn)生了一定的影響。對于阻抗的匹配主要在脈沖變壓器的內(nèi)部研制中執(zhí)行，然而，將阻抗匹配的相關調(diào)節(jié)網(wǎng)絡附加于輸出電路中，則能夠在適當?shù)姆秶鷥?nèi)對阻抗值以及輸出脈沖相應幅值進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，從而滿足所有的測試條件。當故障部位與電纜出口距離較遠的時候，則脈沖通過的路徑較長，衰減幅度較大，所收集到的信號也較為微弱，此時，對脈沖電壓的相應幅值進行適當?shù)脑龃髣t能夠解決上述的難題。調(diào)壓裝置能夠?qū)λ须妷旱姆颠M行設置，從而適用于各種長度的電纜[6]。

5 結(jié)語

以單片機為基礎的低壓脈沖發(fā)生器的合理研制能夠?qū)﹄娏半娎|出現(xiàn)的故障問題進行有效的檢測，通過上文對其研制理念以及工作原理的詳細分析，我們不難得出單片機在電纜檢測中的不可或缺性。單片機通過與MOSFET觸發(fā)電路、脈沖變壓器的相互配合，構(gòu)建出先進的以數(shù)字電路形式為基礎的控制體系，實現(xiàn)了人機交換的目的。在實際的操作過程中，必須依照脈沖變壓器的參數(shù)變化以及實際情況采取阻抗網(wǎng)絡進行電壓幅值的適當調(diào)整。實踐證明：以單片機為基礎的低壓脈沖發(fā)生器在對電力及電纜的檢測中發(fā)揮了重要的作用，伴隨我國電力產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其將會發(fā)揮出自身更大的優(yōu)勢。

[1] 朱云華,艾芊,陸鋒.電力電纜故障測距綜述[J].繼電器, 2006,34(14):81-87.

[2] 何畋,劉保華.基于單片機的脈沖發(fā)生器的設計與應用[J].微處理機,2003,(4):52-53.

[3] 陳志斌,卓家靖.基于單片機和CPLD的嵌入式脈沖發(fā)生器的設計[J].微計算機信息,2005,(2):107-108.

[4] 許珉,鄭文棋.基于單片機的低壓脈沖發(fā)生器研制[J].電力自動化設備,2009,29(3):119-121,142.

[5] 孫志勇,王仲生.基于單片機技術的電纜故障定位儀設計[J].計算機測量與控制,2008,(10):1510-1512,1515.

[6] 韓薇薇.基于單片機的低壓脈沖發(fā)生器設計[J].硅谷, 2013,(21):21,7.

Explore the development of low-voltage pulse generator based on SCM

The rapid development of science and technology to make it in the people's living and production plays the role should not be underestimated, it also occupies a crucial position in the process of development of the electric power industry, for example, the introduction of the electronic device power production , power control and power transmission, not only improves the efficiency of the power industry, but also to promote the upgrading of power transmission capacity. However, due to the gradual increase of the constantly changing advanced equipment and work content in the transmission process, the cable is easy to various failure. Therefore, in order to avoid the failure, for work related to the development of single-chip low-voltage pulse generator is imperative.

SCM; low-voltage pulse generator; cable fault; research

TM933

A

1008-1151(2015)03-0094-02

2015-02-11

李釗海（1986－），男，廣西貴港人，賀州學院助理實驗師，研究方向為單片機應用；鄧玉賞（1985－），男，廣西賀州人，賀州學院助教，研究方向為單片機應用。