探究基于单片机的低压脉冲发生器研制

李钊海 邓玉赏

（贺州学院，广西 贺州 542800）

探究基于单片机的低压脉冲发生器研制

李钊海 邓玉赏

（贺州学院，广西 贺州 542800）

科学技术的迅猛发展使其在人民群众的生活及生产中都发挥着不容小觑的作用，其在电力工业发展的过程中也占据着至关重要的地位，比如说，将电子设备引入电力生产、电力控制以及电力传输中，不仅提高了电力工业的效率，而且还促进了电力输送能力的提升。然而，由于对先进设备的不断更换以及工作内容的逐渐增加，在输电的过程中，电缆容易出现各种各样的故障。因此，为了避免上述故障，对于单片机低压脉冲发生器的相关研制工作势在必行。

单片机；低压脉冲发生器；电缆故障；研制

对电缆故障部位进行快速且准确的定位可以确保可靠性供电，将停电造成的损失降到最低。近几年来，相关研究者对故障定位发提出了新的见解。就目前来看，低压脉冲法是一种被人们广泛接受且采纳的测量电缆低阻、电缆断路以及电缆短路等故障的方法，其工作原理为：将发射脉冲施加于电缆的始端，当此脉冲经过电缆故障点时就会产生相应的反射，紧接着反射脉冲将向回传播，通过对发射脉冲以及反射脉冲的时间差进行检测，便可得出测试点距离故障点的长度，十分的便利快捷[1]。本文主要对以单片机为基础的低压脉冲发生器的相关研制原理进行了详细的分析，并且对脉冲形成电路的整体步骤进行了重点的探讨，希望能给相关研究人员提供不同程度的参考价值。

1 研制原理

本文所研制的低压脉冲发生器主要通过对单片机的输入及输出端口进行有效的利用，从而使其产生相应的脉冲，并且应用此脉冲来控制电路，其主要包含两个方面，即控制电路以及脉冲形成电路。

图1 整体结构图

1.1 有关控制电路的分析

控制电路包含的步骤较多，例如单片机、按键输入、MOSFET的触发电路、控制脉冲的输出、LED等等。其中，单片机就是电力系统内5V窄脉冲的重要构成元素，其对整个装置进行控制；按键输入负责实现人机交互的相关界面，其能够依照相关信息的输入对脉冲频率以及脉冲宽度进行合理的调节；触发电路主要负责信息的隔离与放大，由于单片机所产生的小范围波动无法对信号进行完全的控制，且无法将高压信号加入控制回路，所以必须采取MOSFET的触发电路；控制脉冲的输出指的是将相关的程序进行编写，促使单片机实施清零操作，从而实现脉冲的输出；LED的功能就是显示当前脉冲的参数信息[2]。

图2 脉冲形成原理图

1.2 有关脉冲形成电路的分析

脉冲形成电路包括较多的步骤，比如说MOSFET触发电路、调压装置、脉冲变压器、阻抗匹配等等。由于MOSFET触发电路在对电路进行驱动时较为简单，因此，其驱动功率相对较小，开关速度较快，工作频率较高，不仅可以快速反应出触发信号，而且还能够很好地控制脉冲变压器的相关通断状况；调压装置负责对脉冲电压的相对幅值进行调节；脉冲变压器在通断状况方面由MOSFET触发电路所控制，其能够根据MOSFET触发电路的运作状态在短期内进行对应的操作，从而出现脉冲，通过耦合进行输出工作；脉冲变压器进行阻抗匹配，从而促使其具备微调作用，适应各种的场所。

2 探讨MOSFET的触发电路

MOSFET是一种电力电子元件，其主要采取电压控制的方式开展工作，通过施加相应的电压于栅极和漏极间的方式便能够疏导对应的源极和漏极，如果低于所设置的电压，则会自动断掉[3]。MOSFET属于目前速度最为快捷的导断元件，因此，我们可以对其这一特征进行利用，从而产生相关的窄脉冲。然而，由于栅极具有电容吸收性，处于疏通状态下的栅极会对电荷进行相应的吸收。若MOSFET出现骤升骤降且在归零后吸收电荷的现象时，则其便处于最为理想的状态。本文所研制的低压脉冲发生器配备了MOSFET以及脉冲变压器，当其采用5V的电压级进行工作时，单片机在输入以及输出的端口处便会有5V的脉冲产生，紧接着MOSFET就会被触发[4]。MOSFET的通断状态对于脉冲变压器的对应状态发挥着决定性的作用，此外，其还控制着变压器中的主脉冲。

图3 有关MOSFET的触发电路

3 探讨脉冲变压器

在对低压脉冲法的相关电缆故障进行距离的测量中，往往采用负脉冲来进行测试，此时，必须将测试的电路与电缆相互隔离，且对阻抗匹配提出相应的要求，只有这样才能够获得理想的测量效果。在进行测试的环节中，要对脉冲部分进行重点的检测，而脉冲变压器则能够对电压与电流进行更好的转化，达到电气隔离的目的。

3.1 有关等效电路的探讨

等效电路主要由励磁电感（L′μ）、线圈电阻（R1′与R2）、线圈漏感（LS1′与LS2）、线圈电容、线圈间电容（C1、C2与C12）以及等效电阻（RB′）等构成，如图4所示：

图4 等效电路图

3.2 有关磁芯的选择

在不同的工作状态下，脉冲变压器的相关参数也有所不同。脉冲变压器在工作时所需的脉冲很短，其瞬时频率大致为10MHz左右，这就要求脉冲在前沿上升及后沿下降的速度要快，在平顶过冲及降落时的幅度要小[5]。所以，分布电容与漏感发挥着极其重要的作用，此时可以忽略耗损量。

3.3 有关线圈的选择

对于初级线圈匝数的相关计算公式，如下所示：

在上述计算公式中，Umax表示瞬时电压的最大值，Bm表示磁感应密度的最大值，Sp（Sp=S1*S2）表示磁芯面积相乘所得的值，f表示工作的频率。

对于次级线圈匝数的相关计算公式，有N2=nN1，在上述计算公式中，n表示变压器的变化值。

4 探讨阻抗的匹配

只有将阻抗进行良好的匹配，脉冲发生器才能具备较强的负载能力，在电缆接入后，其发射脉冲的幅值才不会出现过大衰减的现象。当对反射波进行接收时，故障部位就充当了激励源的角色，发生器则扮演了负载的角色，此时，阻抗的匹配优劣对于反射波的形状以及幅值都产生了一定的影响。对于阻抗的匹配主要在脉冲变压器的内部研制中执行，然而，将阻抗匹配的相关调节网络附加于输出电路中，则能够在适当的范围内对阻抗值以及输出脉冲相应幅值进行适当的调节，从而满足所有的测试条件。当故障部位与电缆出口距离较远的时候，则脉冲通过的路径较长，衰减幅度较大，所收集到的信号也较为微弱，此时，对脉冲电压的相应幅值进行适当的增大则能够解决上述的难题。调压装置能够对所有电压的幅值进行设置，从而适用于各种长度的电缆[6]。

5 结语

以单片机为基础的低压脉冲发生器的合理研制能够对电力及电缆出现的故障问题进行有效的检测，通过上文对其研制理念以及工作原理的详细分析，我们不难得出单片机在电缆检测中的不可或缺性。单片机通过与MOSFET触发电路、脉冲变压器的相互配合，构建出先进的以数字电路形式为基础的控制体系，实现了人机交换的目的。在实际的操作过程中，必须依照脉冲变压器的参数变化以及实际情况采取阻抗网络进行电压幅值的适当调整。实践证明：以单片机为基础的低压脉冲发生器在对电力及电缆的检测中发挥了重要的作用，伴随我国电力产业的迅猛发展，其将会发挥出自身更大的优势。

[1] 朱云华,艾芊,陆锋.电力电缆故障测距综述[J].继电器, 2006,34(14):81-87.

[2] 何畋,刘保华.基于单片机的脉冲发生器的设计与应用[J].微处理机,2003,(4):52-53.

[3] 陈志斌,卓家靖.基于单片机和CPLD的嵌入式脉冲发生器的设计[J].微计算机信息,2005,(2):107-108.

[4] 许珉,郑文棋.基于单片机的低压脉冲发生器研制[J].电力自动化设备,2009,29(3):119-121,142.

[5] 孙志勇,王仲生.基于单片机技术的电缆故障定位仪设计[J].计算机测量与控制,2008,(10):1510-1512,1515.

[6] 韩薇薇.基于单片机的低压脉冲发生器设计[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

李钊海（1986－），男，广西贵港人，贺州学院助理实验师，研究方向为单片机应用；邓玉赏（1985－），男，广西贺州人，贺州学院助教，研究方向为单片机应用。