【正文】 號輸出，實(shí)現(xiàn)這種功能的集成芯片通常稱為“單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器” 。 其二：采用可編程器件通過軟件編制實(shí)現(xiàn)時序 控制 信號的產(chǎn)生，其中單片機(jī)具有技術(shù)成熟、抗干擾能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，基本思路是通過軟件延時與單片機(jī)自 帶定時器控制時序邏輯，同時單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，同時可以增加按鍵和液晶顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。 本 文 將采用 51 單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)時序 控制 信號的產(chǎn)生 [1217]，原理框圖如圖 。 液 晶 顯 示時 序 信 號 輸 出單 片 機(jī) 控 制 核 心頻 率 選 擇 按 鍵圖 控制時序發(fā)生單元框圖 硬件設(shè)計(jì) 本 文 采用 51系列單片機(jī) AT89S52為控制核心 [21]，如圖 小系統(tǒng)， 圖 中包括 按鍵 S2 復(fù)位電路；三種頻率 的輸出時序信號 之間的轉(zhuǎn)換 是 通第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 21 過按鍵 S1觸發(fā)單片機(jī)外部中斷 的方式完成 的， 其 按鍵 電路 原理 如圖 所示 。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 按鍵電路 硬件電路中還包括實(shí)時顯示輸出脈沖信號 頻率 的液晶部分，液晶采用LCD1602，電路原理如圖 ；電源采用常用的電源管理芯片 78L05 給單片機(jī)和 74LS244提供 5V直流電源，電路原理如圖 ；由于單片機(jī) I\O口輸出 TTL電平信號帶載能力比較弱，通常需要在信號輸出端增加一級緩沖電路用以提高單片機(jī) I\O口的帶載能力，本設(shè)計(jì)采用 74LS244作為輸出級緩沖電路，電路原理如圖 。 圖 液晶電路圖 電源電路 圖 緩沖電路 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主要完成時序的產(chǎn)生 以及數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸功能。 單片機(jī) 開始工作后，首先初始化各子模塊 ， 而后進(jìn)入 控制 輸出脈沖信號的階段，這一階段 由定時器中斷 子程序 完成 。頻率的轉(zhuǎn)換 通過每次按鍵進(jìn)入 外部中斷按鍵調(diào)頻子程序Vss1Vdd2Vee3RS4RW5E6D07D18D29D310D411D612D713D714X1 LCD1602VCCGND10KR10D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 +24VGNDVCC47uFC1IN1GND2OUT3*78L051G1A121Y118A241Y216A361Y314A481Y4122G19B1112Y19B2132Y27B3152Y35B4172Y43U274F244GNDOUT1OUT2第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 22 后將設(shè)置的標(biāo)志位加 1，返回后通過在定時器中斷子程序中改變定時器初值實(shí)現(xiàn) ，頻率 顯示 功能也 在定時器中斷程序中 完成 ，定時器中斷 工作過程是 通過循環(huán)設(shè)置定時器初值實(shí)現(xiàn)。 軟件編寫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 中斷入口的 按鍵電路是在硬開關(guān)的環(huán)境下工作，按鍵操作 進(jìn)行后頻率轉(zhuǎn)換時單片機(jī)應(yīng)首先執(zhí)行按鍵延時“去抖”程序，在這個過程中單片機(jī)的輸入輸出端口為默認(rèn)的輸出高電平，這個時候如果整體電路正在工作過程中，勢必會產(chǎn)生兩個晶閘管同時導(dǎo)通的狀態(tài)，這個時候電路相當(dāng)于短路狀態(tài)，晶閘管有可能承受 變化率 過高的電流而導(dǎo)致?lián)p壞。所以在延時“去抖”程序執(zhí)行時應(yīng)保證單片機(jī) I\O端口輸出低電平。具體延時程序如下： for(i=0。i=5000。i++) {OUT1=0。OUT2=0。} 其中 OUT OUT2分別代表兩路的輸出時序信號。主程序流程如圖 ，兩個中斷 子程序流程如圖 。 初 始 化 控 制 字開 始第 一 路 脈 沖高 電 平 ？定 時 器 中 斷 ？外 部 中 斷 ？第 二 路 脈 沖高 電 平 ？Y N NY NY N延 時 3 m s輸 出 低電 平延 時 3 m s輸 出 低電 平Y(jié)Y判 斷 頻 率 標(biāo)志 位按 鍵 去 抖延 時頻 率 標(biāo) 志位 加 1關(guān) 中 斷0 ?1 ?2 ? N NYYY顯 示 ：0 ： 2 5 H z顯 示 ：1 ： 7 5 H z顯 示 ：2 ： 1 2 5 H z脈 沖 標(biāo) 志 位加 1標(biāo) 志 位 = 0 ？ NP 1 . 1 口 輸 出 高 電 平Y(jié)P 1 . 0 口輸 出 高電 平中 斷 服務(wù) 程 序中 斷 服務(wù) 程 序關(guān) 中 斷定 時 器 中 斷 入 口外 部 中 斷 入 口N 圖 主程序流程 圖 中斷子程序 控制電路仿真 對控制電路的仿真可以給硬件電路的實(shí)際制作提供原理性的參考，同時可以第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 23 實(shí)時進(jìn)行軟件程序的調(diào)試，本文采用的 仿真軟件是專為單片機(jī)及其外圍電路仿真而開發(fā)的一款非常實(shí)用的仿真軟件 ， 可配合 Keil C 軟件 實(shí)現(xiàn)程序的聯(lián)合調(diào)試 ， 它 支持匯編語言和 C 語言的 在線 編程 。仿真過程中， 將 Proteus中的 電路 原理圖作為實(shí)際 電路板使用 ，而 后在 Keil C 集成環(huán)境 中編制程序 實(shí)現(xiàn)對 電路 板的控制， 這種仿真方式 與通過硬件仿真器對 電路 板的調(diào)試 具有相同的效果 。軟件仿真的原理圖如圖 ，仿真結(jié)果如圖 ，圖中給出的是方式 2即 125Hz的頻率點(diǎn)圖形。 圖 控制電路原理仿真 圖 控制電路仿真結(jié)果 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動電路的要求 驅(qū)動電路主要 完成 大功率器件的開通和關(guān)斷，以及電路的強(qiáng)弱電隔離。對于本設(shè)計(jì)中所用驅(qū)動只需考慮如何開通晶閘管， 即 在晶閘管的陽極加上正向電壓后，第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 24 還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。觸發(fā) 脈沖決定每個晶閘管的導(dǎo)通時刻，是晶閘管變流裝置中不可缺少的一個重要組成部分。 對于驅(qū)動信號的要求。第一，觸發(fā)信號可為直流、交流和脈沖電壓。實(shí)際應(yīng)用中 ，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，觸發(fā)信號 就不再起 控制作用 了 ，為減小門極損耗，多 采用脈沖觸發(fā)信號 ， 而 不采用直流或交流觸發(fā)信號 ；第二，觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個關(guān)鍵指標(biāo)；第三， 為了 使元件在 觸發(fā) 導(dǎo)通后 ， 陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導(dǎo)通 ，觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿應(yīng)盡可能陡。根據(jù)要求本設(shè)計(jì)需要產(chǎn)生的觸發(fā)信號應(yīng)為強(qiáng)觸發(fā)脈沖，前沿陡，有一定脈寬。 連接 方式 驅(qū)動電路與晶閘管電路的連接方式可以分為三種。其一，直接連接 。 由于主電路電壓經(jīng)常高于觸發(fā)電路的電壓，采用直接連接容易造成操作不安全，主電路又往往干擾觸發(fā)電路 。 其二，光耦合器連接 。 它是一種將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，又將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件，具有可實(shí)現(xiàn)輸入輸出間電隔離，且絕緣性能好，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是單體驅(qū)動能力有限，還需要后續(xù)功率放大電路 。 其三，脈沖 變壓器耦合連接 。 在導(dǎo)磁率較高的鐵磁材料上繞制的變壓器，能夠很好的把一次側(cè)的脈沖信號傳輸?shù)蕉卫@組，二次繞組與晶閘管連接，電路與控制電路有良好的電氣絕緣，適合做大功率器件的驅(qū)動隔離。本設(shè)計(jì)采用脈沖變壓器耦合連接將控制電路與功率電路隔離開。 驅(qū)動電路的硬件設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì) 硬件電路采用分立元件構(gòu)成，控制單元輸出信號 OUT OUT2 經(jīng)過輸入電阻進(jìn)入驅(qū)動單元，功放 Q Q2選用達(dá)林頓管 TIP122，它起到放大時序信號電流的作用，穩(wěn)壓管 Z1用來穩(wěn)定電源電壓，二極管 D D2起到防止反接的保護(hù)作用，電阻 R R4是限流電阻，變壓器 T T2變比為 1： 1的脈沖變壓器，變壓器 通過保護(hù)二極管連接到 晶閘管觸發(fā) 端 ， 本節(jié) 采用一對發(fā)光二極管指示脈沖輸出信號，硬件電路原理如圖 。 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 25 圖 驅(qū)動電路硬件原理圖 控制驅(qū)動電路 PCB 測試 用印制電路板制造的電子產(chǎn)品具有可靠性高 、 一致性好 、 機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、體積小、易于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。 驅(qū)動 電路設(shè)計(jì)完成后，將控制電路與驅(qū)動電路組合并且制作了 PCB 電路板，實(shí)物如圖 。 圖 控制驅(qū)動電路 PCB 板實(shí)物 電路板所用電源為 24V 直流電源，通過 TEKTRONIX 公司生產(chǎn)的 TDS2022B 系列數(shù)字式存儲示波器 測試 控制驅(qū)動板輸出脈沖信號 波形。 三種頻率的輸出信號波形結(jié)果如圖 、 、 所示，由圖中結(jié)果可以看出，三種頻率的波形均滿足晶閘管驅(qū)動電路所要求的強(qiáng)脈沖輸出。 Z1Q1TIP122D2550R1T1Trans D3LED30R330R4100 R5100 R6550R2Q2TIP122D1T2Trans D4LEDD6D5GNDGNDOUT1OUT2+24V+24V+24VK1G1K2G2第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 26 圖 輸出脈沖頻率 25Hz 圖 輸出脈沖頻率 75Hz 圖 輸出脈沖頻率 125Hz 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 27 本章總結(jié) 本章工作主要完成了功率發(fā)射電路方案選擇 并 應(yīng)用 Matlab 完成 了相應(yīng)方案的 電路原理仿真。 根據(jù)所選串聯(lián)諧振 的發(fā)射方案研究了功率器件的選型 ，發(fā)射線圈的 設(shè)計(jì) 制作 。 設(shè)計(jì)并仿真了 主控單元 控制時序發(fā)生電路 ，設(shè)計(jì)了 大功率晶閘管驅(qū)動電路，最終設(shè)計(jì)完成了控制驅(qū)動電路的 PCB板，并得到相應(yīng)的驅(qū)動信號輸出。第 3 章 電流采集記錄與過沖削弱關(guān)鍵技術(shù)研究 28 第 3 章 電流采集記錄與過沖削弱關(guān)鍵技術(shù) 研究 概述 在 直升機(jī)航空瞬變電磁 勘察 系統(tǒng)飛行過程中 ， 無法直接觀測發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射電流是否有突變的情況發(fā)生 。 發(fā)射 電流的突變會對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來不可預(yù)知的 不良 影響，甚至使處理結(jié)果與實(shí)際情況完全不符，這就需要一個 能采集 記錄 峰值 電流 的 單元 ， 它能夠 實(shí)時記錄飛行過程中的 峰值 電流變化情況 和變化發(fā)生時的時間 。 感性 發(fā)射 線圈 電流固有的在過零時的過沖也會干擾接收系統(tǒng)對于淺層瞬變電磁信號的 分辨 ，從而 影響 瞬變電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的精度。 針對 上述兩個 問題，本文提出了 解決 相應(yīng) 問題的 發(fā)射系統(tǒng) 輔助 功能 單元 的設(shè)計(jì)。本章將著重介紹 峰值 電流采集記錄單元和過沖削弱單元的設(shè)計(jì)原理和 每個單元的 工作過程， 給出相應(yīng)單元的電路原理圖和測試結(jié)果，最后結(jié)合上一章所述內(nèi)容對 整個弱電 控制 系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié) 并整合到一起裝入機(jī)箱 。 電流采集記錄單元設(shè)計(jì) 峰值 電流采集記錄單元應(yīng)該具有以下功能： 實(shí)驗(yàn)過程中 能 夠采集并顯示當(dāng)前發(fā)射電流的峰值 和時間、 能夠 實(shí)時 記錄電流突變前后的值和相應(yīng)的時間點(diǎn) 、 實(shí)驗(yàn)完成后能夠顯示出實(shí)驗(yàn)過程中電流 變化 前后的值和相應(yīng)的時間點(diǎn)。因此， 峰值電流采集記錄單元應(yīng)該包括能夠監(jiān)測模擬信號峰值變化的峰值 電流 采集 單元和 完成 控制協(xié)調(diào) 工作的 主控 單元組成，其中主控單元又 包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、 時鐘 發(fā)生單元、 具有掉電不丟失功能的 存儲單元和 液晶 顯示單元 。 峰值電流采集記錄單元的整體框圖如圖 所示。 液 晶 顯 示峰 值 電 流檢 測 電 路單 片 機(jī) 控 制 核 心工 作 方 式 選擇 按 鍵存 儲 單 元A D 轉(zhuǎn) 換單 元時 鐘 單 元 圖 峰值電流采集記錄單元框圖 第 3 章 電流采集記錄與過沖削弱關(guān)鍵技術(shù)研究 29 電流峰值 采集單元 設(shè)計(jì) 該單元的主要功能是將互感器輸出的半正弦電 壓 模擬信號的峰值轉(zhuǎn)換為一個直流電平 信號 ，本文采用峰值監(jiān)測電路來實(shí)現(xiàn)，峰值監(jiān)測電路由采樣保持器LF398 和比較器 LM393 構(gòu)成 ，而后輸入給 AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 。上電后電流互感器輸出的模擬信號接入峰值檢測電路，通過采樣保持并與輸入端信號比較得到一個與峰值大小相等的直流電平。該電路設(shè)計(jì) 的關(guān)鍵技術(shù)在于 采樣保持后電容放電回路的設(shè)計(jì)，本文采用大阻值電阻 R2作為電容 C1的放電電阻，以達(dá)到峰值變小時該電路能夠檢測到峰值的變化，電路原理如圖 。 圖 峰值檢測電路原理圖 以信號發(fā)生器為信號源的測試結(jié)果如圖 。黃色為正弦信號，藍(lán)色為正弦信號的峰值電平信號。 圖 峰值檢測電路測試結(jié)果 主控單元 硬件部分 設(shè)計(jì) 12348U1ALM393V+1OFT2IN3V4OUT5Ch6REF7LOG8U2LF398VCCGNDVCCVSSC1GNDR180MR2INOUT第 3