【正文】 and driver module。從 70年代開始，我國開始對瞬變電磁儀器的野外應用進行研究，在 80年代研制出WDC系列瞬變電磁儀， 90年代研制出 SD2型儀器， 20xx年研制出ATEM－ II型瞬變電磁儀，并且都取得了良好的應用效果。本設計的目的在于突破原有的技術，設計出更便攜、發(fā)射電流相對更大、性能更穩(wěn)定的瞬變電磁發(fā)射機。 80 年代初開始，我國對瞬變電磁法的理論及野外實驗研究都投入了大量工作，并取得了一定研究 2 成果。在該渦流消失之前會有一個過渡過程，該過程中會產生向地表傳播的磁場，這個變化的磁場在地面接收線圈中轉化為感應電壓的變化，通過反演處理我們可以知道地下未知介質的參數。隨時間的變化，渦流的分布將受到地下介質參數的影響，因此可以用早期的二次電磁場分析淺層地下未知介質參數，用晚期的二次電磁場分析深層地下未知介質的參數。 圖 等效電流環(huán) Z x t0 t=t3 t=t2 t=t1 Tx 3 根據電磁感應原理可知，當地面發(fā)射線圈中的脈沖發(fā)射電流突然關閉時，在發(fā)射線圈周圍就會感應出一次磁場，當一次磁場在地下導電介質中傳播時，會在介質中產生感應電流，這個電流被稱為二次電流，感應過程如圖 所示。二次電流傳播過程中感應出的二次磁場是隨時間大致按指數規(guī)律衰減的，衰減規(guī)律如圖 所示。 圖 瞬變電磁法工作示意圖 圖 瞬變電磁法實際發(fā)射波形示意圖 4 當把一個圓柱形螺線管線圈放到變化的磁場中時，在線圈中就會產生相應的感應電動勢 )(tV ，假設線圈匝數為 N，橫截面積為 S，真空磁導率為 ，螺線管長度為 ，則感應電 動勢 )(tV 的大小為： 由以上兩個公式 和 可知，在接受線圈中的感應電動勢 )(tV 值的大小可以反應一次磁場和二次磁場，所以，通過對感應電動勢的數據處理，可以得到二次場曲線，通過對二次場曲線分析就能知道地下未知介質的參數。本設計采用由 MOSFET 構成的 橋式發(fā)射電路，通過發(fā)射橋路的并聯(lián)疊加，可以在小發(fā)射線圈的前提下實現(xiàn)大功率發(fā)射，這樣就可解決上述矛盾。其中，發(fā)射功率與有效探測深度有關，關斷延遲時間與淺層探測精度有關。 發(fā)射機的主要組成部分如圖 ，包括外接蓄電池、發(fā)射橋路、 FPGA控制電路、發(fā)射線圈等部分。 圖 瞬變電磁發(fā)射機主要原理框圖 發(fā)射機的主回路為如圖 所示的 H 型橋路，負載是由一定長度導線構成的發(fā)射線圈， ED 是外接直流電源或蓄電池。 6 圖 發(fā)射機主回路示意圖 圖 發(fā)射機幾種輸出電壓波形 本論文研究內容 本設計共分為 4 章，其具體結構主要安排如下： 第 1 章 緒論部分，主要介紹了本設計的研究背景和意義，瞬變電磁法工作原理以及本文的主要研究內容。 第 3 章 發(fā)射橋路的設計，主要包括驅動電路部分、光電隔離電路部分和由 MOSFET 構成的 H 型橋路設計部分，最重要的是 H 型橋路部分的吸收電路設計。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN um be r R e vi sionS iz eBD a te : 9 M a y 20 01 S he e t of F ile : D :\D e s ign E xp lor e r 99 \E xa m pl e s\M y D e s ig n2 .dd bD r a w n B y :RLS1 S2S3S4E D 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 9 M a y 20 0 1 S he e t o f F i l e : D : \ D e s i g n E x pl o r e r 9 9\ E x a m p l e s \ M yD e s i g n 2. d d bD r a w n B y :tttVVV方式0方式1方式2 7 第 2 章 FPGA 控制電路設計 電源電路設計 該部分主要提供 FPGA控制電路及發(fā)射 橋路中的電源模塊所需的 12V和 5V電壓。 圖 電源模塊主要電路圖 圖 電源濾波電路原理圖 8 FPGA 內部電源設計 該部分電路主要負責給 FPGA 模塊提供工作電源，電路主要原理圖如圖 所示。AD7982 是一款 18 位的模數轉換器，采用單電源供電；驅動模 塊本設計選擇 ADA4941，它無需外接其他元件就能實現(xiàn)大于 2 的增益，同時還具有低失真以及高信噪比（ SNR）等重要特性。 圖 AD 轉換電路主要原理圖 9 驅動電路設計 由于 FPGA 產生的控制信號電壓及電流值有限制，不滿足給發(fā)射橋路提供控制信號的要求，因此在 FPGA 控制信號輸出端需要有驅動電路，本設計采用高電壓大電流的八達林頓晶體管ULN2803，經過 ULN2803 的控制信號滿足設計要求，該部分主要電路圖如圖 所示。 分頻模塊設計 FPGA 電路晶振頻率選用 30MHz， FPGA 提供的時鐘頻率不滿足設計要求，因此有必要在軟件設計部分對時鐘信號進行分頻， 10 其中計數分頻模塊如圖 所示?？刂菩盘柵c FPGA 外部管腳分配如圖 所示。該程序主要功能是產生一個控制信號，控制 H 型橋路中的八個功率管交替導通，在輸出端的發(fā)射線圈中即可得到想要的脈沖發(fā)射電流。 when 1= k=0000。 when 3= k=0000。 kkk=kkk+1。 end if。其中 clk 是經過分頻的時鐘信號， K[3..0]和K[7..4]是經過 FPGA 產生的控制信號輸出端口，區(qū)別在于二者 是經過不同的 ULN2803 管腳進行驅動的，并且二者用于控制兩個不同 12 的發(fā)射橋路，以實現(xiàn)兩個發(fā)射橋路的并聯(lián)。 本章小結 本章主要針對 FPGA 控制部分進行了設計與仿真，完成了以下工作內容： FPGA 電路設計，包括內部電源、 AD轉換、驅動電路等方面的設計； FPGA 進行軟件編程并仿真結果，基于 Quartus II 對 FPGA進行編程并仿真驗證，仿真結果驗證了設計的可行性。每一個生產 MOSFET 功率器件的公司在推出 MOSFET 的同時，一般都會同時推出與其相配套的驅動電路，這樣能使驅動電路與 MOSFET 功率器件得到最優(yōu)的搭配。驅動電路主要電路原理圖如圖 所示。光電隔離電路主要原理圖 14 如圖 所示。為了得到更好的脈沖發(fā)射電流波形，可以使兩個 IRF3205 并聯(lián)工作，由于 IRF3205 具有自均流的特點，可以并聯(lián)使用。 圖 發(fā)射橋路主要電路圖 15 吸收電路設計 在 IRF3205 導通時會流過很大的電流，關斷時又要承受很高的電壓，并且在導通與關斷之間轉換的時候，電路中的儲能元件會承受很大的沖擊，因此就有必要設計附加的能量吸收電路，提高電路的可靠性。 圖 吸收電路主要原理圖 圖中 D1 和 D11 采用超快恢復的二極管， DL1 采用大電流快恢復二極管，與 R31 和 C1 共同組成 RCD 緩沖吸收電路。 16 第 4 章 本設計發(fā)射機實驗結果分析 本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機的主要性能指標，并且對本設計的發(fā)射機進行實驗分析，通過結果驗證系統(tǒng)的工作性能。 圖 本設計各部分電路板相連實物圖 單個發(fā)射橋路實驗結果 當發(fā)射系統(tǒng)只使用單個發(fā)射橋路時，發(fā)射波形如下圖所示，指標滿足設計要求。 圖 兩個橋路并聯(lián)發(fā)射電壓波形圖 19 發(fā)射橋路關斷沿波形 發(fā)射橋路 1 關斷波形如圖 所示，根據示波器波形可看出，關斷延遲時間小于 50us，滿足設計要求。 圖 發(fā)射橋路 2 關斷延遲時間波形圖 20 本章小結 本章主要對該設計進行實驗結果分析，并與國外已有瞬變電磁發(fā)射機性能進行比較，通過實驗結果分析可知該設計滿足了設計要求，設計出了發(fā)射線圈面積 平方米、最大發(fā)射電流 30A、關斷延遲時間小于 50um、可以多個發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機。設計的重點在于發(fā)射橋路的設計以及發(fā)射橋路的 并聯(lián)，因此發(fā)射橋路的功率器件選擇、光電隔離及驅動電路設計、緩沖吸收電路設計、控制信號的同步成為本設計的重點以及難點。通過實驗結果驗證，本設計達到了設計的要求，設計出了發(fā)射線圈面積 平方米、最大發(fā)射電流 30A、關斷延遲時間小于 50um、可以多個發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機。 朱凱光 。 王靜 .強場源 TEM測量儀器和在大礦山接替資源勘探中的應用研究 .地震地質 .20xx年， 115122 [6] 王忠，嵇艷鞠 ,林君 ,于生寶 ,周國華 .全程瞬變電磁探測系統(tǒng)的淺層探測實驗研究 .吉林大學學報（地球科學版） .35（增）： 9598 [7] 李俊唐，付志紅，蘇向豐，劉翔宇 .梯形脈沖瞬變電磁發(fā)射機 .電測與儀表 .20xx 年第 2 期 . [8] 韓莉，童敏明，鄧世建，張劍英，郭秀蘭，徐楠 .瞬變電磁探測發(fā)射機的設計 .軟件導刊 .第 10 卷第 8 期 . [9] 陳忠仁，董浩斌 .瞬變電磁法新型發(fā)射機的研制 .微型機與應用 .20xx 年第 2 期 . [10] 周國華，林君，周逢道，王艷 .淺海底瞬變電磁探測發(fā)射 23 系統(tǒng)研究 .電力電子技術 .第 40 卷第 5 期 . [11] 譚國貞，付志紅，周雒維，羅強 .瞬變電磁發(fā)射機控制系統(tǒng)設計 .電測與儀表 .20xx 年第 3 期 . [12] 康華光 .電子技術基礎 — 模擬部分 [M].北京：高等教育出版社 .. [13] 康華光 .電子技術基礎 — 數字部分 [M].北京：高等教育出版社 .. [14] 王兆安 ,黃俊 .電力電子技術 [M].北京：機械工業(yè)出版社 .20xx 第 4 版 . [15] 周潤景 ,圖雅 ,張麗敏 .基于 Quartus Ⅱ的 FPGA/CPLD 數字系統(tǒng)設計實例 [M].北京：電子工業(yè)出版社 .. [16] 史久貴 .基于 Altium Designer 的原理圖與 PCB 設計 [M].北京：機械工業(yè)出版社 .. [17] 唐清善 ,邱寶良 .Protel DXP 高級實例教程 [M].北京：中國水利水電出版社 .. 24 致謝 值此論文即將完成之際， 我的大學生涯即將畫上完美的句號，這不禁讓我感嘆時光如梭，也使 我更加 懂得 珍惜以后的時光 。 其次 ，我要向培養(yǎng)了我四年的學院表示崇高的敬意與真誠的感謝，沒有學院就沒有我 的 現(xiàn)在。 還要 感謝電氣 5班的所有同學們，能夠在這樣一個溫暖的集體里度過四年大學時光我很 欣慰 ，你們 的 友誼將是我一生的回憶。 也要感謝地質宮所有幫助過我的師兄師姐，以及核磁組其他的老師，是你們的幫助讓我能夠順利地完成畢業(yè)設計。感謝你們多年來對我 的 養(yǎng)育教導以及給予我 的 充分信任 、 期望 與關愛 ， 你們辛