探究基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器研制

李釗海 鄧玉賞

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542800）

探究基于單片機(jī)的低壓脈沖發(fā)生器研制

李釗海 鄧玉賞

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542800）

科學(xué)技術(shù)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(guān)重要的地位，比如說，將電子設(shè)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(jìn)了電力輸送能力的提升。然而，由于對先進(jìn)設(shè)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(jī)低壓脈沖發(fā)生器的相關(guān)研制工作勢在必行。

單片機(jī)；低壓脈沖發(fā)生器；電纜故障；研制

對電纜故障部位進(jìn)行快速且準(zhǔn)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(guān)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(dāng)此脈沖經(jīng)過電纜故障點(diǎn)時就會產(chǎn)生相應(yīng)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(jìn)行檢測，便可得出測試點(diǎn)距離故障點(diǎn)的長度，十分的便利快捷[1]。本文主要對以單片機(jī)為基礎(chǔ)的低壓脈沖發(fā)生器的相關(guān)研制原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且對脈沖形成電路的整體步驟進(jìn)行了重點(diǎn)的探討，希望能給相關(guān)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(jī)的輸入及輸出端口進(jìn)行有效的利用，從而使其產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，并且應(yīng)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(guān)控制電路的分析

控制電路包含的步驟較多，例如單片機(jī)、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(jī)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(jìn)行控制；按鍵輸入負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的相關(guān)界面，其能夠依照相關(guān)信息的輸入對脈沖頻率以及脈沖寬度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)；觸發(fā)電路主要負(fù)責(zé)信息的隔離與放大，由于單片機(jī)所產(chǎn)生的小范圍波動無法對信號進(jìn)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(guān)的程序進(jìn)行編寫，促使單片機(jī)實(shí)施清零操作，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出；LED的功能就是顯示當(dāng)前脈沖的參數(shù)信息[2]。

圖2 脈沖形成原理圖

1.2 有關(guān)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(jìn)行驅(qū)動時較為簡單，因此，其驅(qū)動功率相對較小，開關(guān)速度較快，工作頻率較高，不僅可以快速反應(yīng)出觸發(fā)信號，而且還能夠很好地控制脈沖變壓器的相關(guān)通斷狀況；調(diào)壓裝置負(fù)責(zé)對脈沖電壓的相對幅值進(jìn)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(yùn)作狀態(tài)在短期內(nèi)進(jìn)行對應(yīng)的操作，從而出現(xiàn)脈沖，通過耦合進(jìn)行輸出工作；脈沖變壓器進(jìn)行阻抗匹配，從而促使其具備微調(diào)作用，適應(yīng)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(yīng)的電壓于柵極和漏極間的方式便能夠疏導(dǎo)對應(yīng)的源極和漏極，如果低于所設(shè)置的電壓，則會自動斷掉[3]。MOSFET屬于目前速度最為快捷的導(dǎo)斷元件，因此，我們可以對其這一特征進(jìn)行利用，從而產(chǎn)生相關(guān)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(jìn)行相應(yīng)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(dāng)其采用5V的電壓級進(jìn)行工作時，單片機(jī)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(yīng)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(guān)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(guān)電纜故障進(jìn)行距離的測量中，往往采用負(fù)脈沖來進(jìn)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(yīng)的要求，只有這樣才能夠獲得理想的測量效果。在進(jìn)行測試的環(huán)節(jié)中，要對脈沖部分進(jìn)行重點(diǎn)的檢測，而脈沖變壓器則能夠?qū)﹄妷号c電流進(jìn)行更好的轉(zhuǎn)化，達(dá)到電氣隔離的目的。

3.1 有關(guān)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(guān)磁芯的選擇

在不同的工作狀態(tài)下，脈沖變壓器的相關(guān)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(guān)線圈的選擇

對于初級線圈匝數(shù)的相關(guān)計(jì)算公式，如下所示：

在上述計(jì)算公式中，Umax表示瞬時電壓的最大值，Bm表示磁感應(yīng)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(guān)計(jì)算公式，有N2=nN1，在上述計(jì)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(jìn)行良好的匹配，脈沖發(fā)生器才能具備較強(qiáng)的負(fù)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(dāng)對反射波進(jìn)行接收時，故障部位就充當(dāng)了激勵源的角色，發(fā)生器則扮演了負(fù)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(guān)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)附加于輸出電路中，則能夠在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對阻抗值以及輸出脈沖相應(yīng)幅值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而滿足所有的測試條件。當(dāng)故障部位與電纜出口距離較遠(yuǎn)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(yīng)幅值進(jìn)行適當(dāng)?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(jìn)行設(shè)置，從而適用于各種長度的電纜[6]。

5 結(jié)語

以單片機(jī)為基礎(chǔ)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(jìn)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(xì)分析，我們不難得出單片機(jī)在電纜檢測中的不可或缺性。單片機(jī)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(jìn)的以數(shù)字電路形式為基礎(chǔ)的控制體系，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換的目的。在實(shí)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(shí)際情況采取阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電壓幅值的適當(dāng)調(diào)整。實(shí)踐證明：以單片機(jī)為基礎(chǔ)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(jī)的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].微處理機(jī),2003,(4):52-53.

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

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

[5] 孫志勇,王仲生.基于單片機(jī)技術(shù)的電纜故障定位儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2008,(10):1510-1512,1515.

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

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TM933

A

1008-1151(2015)03-0094-02

2015-02-11

李釗海（1986－），男，廣西貴港人，賀州學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用；鄧玉賞（1985－），男，廣西賀州人，賀州學(xué)院助教，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用。