基于單片機的低壓脈沖發生器設計

余濤

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的低壓脈沖發生器設計

余濤

遼寧錦州渤海大學工學院

隨著社會的不斷發展，技術與人們的生活息息相關，在現代的生活中很難離開技術，技術在人們的現實生活中扮演著重要的角色。在電力行業的領域中，電力事業在很多方面都有用到科學技術。科學技術給電力領域帶來了很大的便捷，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程中的能力。本文主要是對單片機的低壓脈沖發生器的原理進行了介紹以及電路的設計。

單片機 電力行業 低壓脈沖

1 引言

快速地找到電力電纜中存在的故障點，對于供電可靠性的提高有很大的改善，另外，當出現停電的情況時候，可以使得損失得到減少。關于研究電纜中的故障點目前已經有很多的學者都對這方面進行了研究，并取得了一定的成就。通過采用低壓脈沖的方法進行故障的測距的技術已經日益普遍，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技術。關于低壓脈沖的主要原理就是將一個發射脈沖增加到電纜始端，當脈沖傳播到有故障存在的地方的時候就會出現反射的情況，接著反射脈沖就會出現來回進行傳播，故障點到測試端之間的距離是通過對發射脈沖估計發射脈沖之間的時間間隔進行得出的。

2 單片機對電路控制的優勢

電路的控制主要是通過單片機實現的，單片機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整是通過單片機實現的。輸入輸出接口的信息的獲取也是需要單片機的參與，窄脈沖的產生也是需要單片機的實現，基于單片機的低壓脈沖在驅動力方面以及操作速度上得到了很大程度提高。

3 系統總體設計

本文設計的基于單片機的低壓脈沖發生器可以保證供電的可能性同時還能夠在出現停電的情形之下將損失盡量地減少。針對目前的發展情況而言，關于對故障進行定位的研究已經日益成熟。低壓脈沖法的使用也十分普遍，本文針對低壓脈沖法的原理進行了詳細分析與介紹。系統的總體電路圖設計如圖1所示。

圖1 系統總體電路圖

本文設計的低壓脈沖的產生是通過單片機I/O口和脈沖變壓器自身的靈活性實現的。系統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生電路。總體結構圖如圖2所示。

圖2 總體結構圖

4 控制電路

本文需要采用MOSFET觸發電路，控制脈沖輸出就是指編寫相應的程序使單片機執行清零等操作。進而達到輸出脈沖的目的。控制電路中所包括的主要有單片機，MOSFET觸發電路以及按鍵操作和LED的顯示。對于系統的窄脈沖其主要的組成部分是單片機，低壓脈沖發生器的整個裝置是通過單片機進行控制的。而其中電路的LED的功能是將脈沖中的相關信息呈現在界面中，而所謂的按鍵輸入電路的操作主要是為了實現人和機器相互進行溝通，脈沖中的頻率需要進行調整主要是根據按鍵輸入電路中的相關信息進行實現。為了將隔離的信息進行擴大，系統電路中用到了MOSFET觸發電路，電路中的信號控制是很難通過單片機直接實現的。從而就會選擇用到MOSFET觸發電路。所謂控制脈沖的主要目的是通過相關的程序從而將電路中的相關信息進行清零處理。

本文設計的低壓脈沖器處于短脈沖的工作狀態下，輸出脈沖是同方波，考慮到單片機所形成的方波的頻率是10MHz，由于本系統設計方面需要保持后沿下降速度快，同時高壓信號無法進入到控制回路中，所以系統就設計了MOSFET觸發器電路，通過該電路能夠實現觸降落小的目的。下圖3為脈沖形成原理圖。

圖3 脈沖形成原理圖

5 MOSFET觸發電路

脈沖發生電路中主要包括的有MOSFET觸發器以及脈沖變壓器和阻抗等，而關于MOSFET的所有特點中最重要的即是驅動電路比較簡單。系統中的脈沖幅度是300V，其中等效負載設定的是100Ω，從而能夠得到變壓器的標稱功率。MOSFET觸發電路（圖4）的特點是導通的速度以及關斷的速度都很快，由于這種特點從而形成的脈沖比較窄，當MOSFET觸發電路是保持開通的狀態時，電荷會形成吸收的現象，當MOSFET觸發電路關閉的時候，電荷就會出現放電的情形，從而驅動的實現需要通過觸電脈沖來實現，在驅動力的作用下可以實現放電以及吸收電荷的效果。最終達到了對電力電纜的故障進行檢測的目的。因此需要將MOSFET觸發的脈沖進行調整為0，這樣才能夠起到電荷吸附的作用。一般而言，進行升降結合的MOSFET觸發脈沖的工作狀態是最為理想的。

圖4 MOSFET觸發電路

6 阻抗匹配網絡

如果阻抗匹配得比較好的話，那么脈沖發生器在負載能力方面就會增強，將電纜接通之后發射脈沖的幅值在衰減程度方面不會很大。當接收到了反射波以后，此時的故障點也就是所謂的激勵源，負載是發生器，這個時候反射波的幅值以及形狀會手阻抗匹配性能的影響。阻抗匹配是在脈沖變壓器的設計中進行，將阻抗匹配調節網絡加入到輸出電路的時候。能夠在一定范圍內對阻抗值以及輸出脈沖的的值進行相應的調整，本論文采用的形式是電阻網絡匹配。

當故障產生點和電纜出口之間距離遠時，考慮到脈沖經過的路徑長，對應的動力消耗就大，因此會采集到微弱的信號，此時解決方法是增加脈沖的電壓幅值。

7 磁芯的選擇

磁芯選擇的時候需要根據按鍵的輸入電路中的相關信息進行輸入，根據一些輸入信息適當地調整脈沖的頻率以及寬度；LED的參數會隨著脈沖變壓器的工作狀態不同而不同。選擇的脈沖的瞬時頻率是10MHz，設計中的脈沖速度的要求是前沿上升很快，而且同時也有很快的后沿下降速度。然而該脈沖的降落和平頂過沖的速度相對而言不是很大。所以將電容以及漏感的分布設置加入其中是很有必要的。同時在芯片的選擇中關于各種損耗的因素暫時不需要考慮進去。本文設計的系統選擇的磁芯是鐵氧體磁環，這種磁芯所具有的特點是耦合系數很高。磁芯的尺寸計算公式如下：

其中公式中的具體參數介紹如表1所示。

表1 具體參數介紹

8 結語

隨著現今的設備更新速度的飛速發展，以及多方面所承受的工作量的加大，在開展工作的過程中很容易引起各種故障，為了阻止這些突發情況的發生，設計基于單片機的低壓脈沖發生器設計具有重要的意義。本文主要是介紹了基于單片機的低壓脈沖發生器，文中介紹了低壓脈沖的原理，以及電路的設計，在電子工業領域中，低壓脈沖器起到了很大的作用。系統設計的其中選擇的頻率是100MHz的，而且寬度最小是0.14μs，電壓的值達到了300V以上，同時電壓的值是可以根據情況的不同性而進行調整的。隨著電力技術的不斷進步，關于脈沖發生器的研究十分普遍，而且有著重要的影響意義。

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

[2]陳炯，李喆，尹毅，等.脈寬和幅值可調的新型超窄脈沖發生器的研制[J].高電壓技術，2005，31(5):39-40，49

[3]李龍，鄭繼禹，林基明，等.利用MOSFET產生納秒級窄脈沖[J].桂林電子工業學院學報，2003，23(2):6-9

[4]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

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