基于单片机的低压脉冲发生器设计

余涛

辽宁锦州渤海大学工学院

基于单片机的低压脉冲发生器设计

余涛

辽宁锦州渤海大学工学院

随着社会的不断发展，技术与人们的生活息息相关，在现代的生活中很难离开技术，技术在人们的现实生活中扮演着重要的角色。在电力行业的领域中，电力事业在很多方面都有用到科学技术。科学技术给电力领域带来了很大的便捷，而且在一定程度上大大地提高了工作效率，也加快了电路在输送过程中的能力。本文主要是对单片机的低压脉冲发生器的原理进行了介绍以及电路的设计。

单片机 电力行业 低压脉冲

1 引言

快速地找到电力电缆中存在的故障点，对于供电可靠性的提高有很大的改善，另外，当出现停电的情况时候，可以使得损失得到减少。关于研究电缆中的故障点目前已经有很多的学者都对这方面进行了研究，并取得了一定的成就。通过采用低压脉冲的方法进行故障的测距的技术已经日益普遍，也是目前在短路以及电力电缆的电阻中采用很广泛额一门技术。关于低压脉冲的主要原理就是将一个发射脉冲增加到电缆始端，当脉冲传播到有故障存在的地方的时候就会出现反射的情况，接着反射脉冲就会出现来回进行传播，故障点到测试端之间的距离是通过对发射脉冲估计发射脉冲之间的时间间隔进行得出的。

2 单片机对电路控制的优势

电路的控制主要是通过单片机实现的，单片机比晶体振荡器以及分频器脉冲有着更重要的意义。脉冲中的宽度以及频率的调整是通过单片机实现的。输入输出接口的信息的获取也是需要单片机的参与，窄脉冲的产生也是需要单片机的实现，基于单片机的低压脉冲在驱动力方面以及操作速度上得到了很大程度提高。

3 系统总体设计

本文设计的基于单片机的低压脉冲发生器可以保证供电的可能性同时还能够在出现停电的情形之下将损失尽量地减少。针对目前的发展情况而言，关于对故障进行定位的研究已经日益成熟。低压脉冲法的使用也十分普遍，本文针对低压脉冲法的原理进行了详细分析与介绍。系统的总体电路图设计如图1所示。

图1 系统总体电路图

本文设计的低压脉冲的产生是通过单片机I/O口和脉冲变压器自身的灵活性实现的。系统的组成是由两部分电路组成的，分别是控制电路以及主脉冲产生电路。总体结构图如图2所示。

图2 总体结构图

4 控制电路

本文需要采用MOSFET触发电路，控制脉冲输出就是指编写相应的程序使单片机执行清零等操作。进而达到输出脉冲的目的。控制电路中所包括的主要有单片机，MOSFET触发电路以及按键操作和LED的显示。对于系统的窄脉冲其主要的组成部分是单片机，低压脉冲发生器的整个装置是通过单片机进行控制的。而其中电路的LED的功能是将脉冲中的相关信息呈现在界面中，而所谓的按键输入电路的操作主要是为了实现人和机器相互进行沟通，脉冲中的频率需要进行调整主要是根据按键输入电路中的相关信息进行实现。为了将隔离的信息进行扩大，系统电路中用到了MOSFET触发电路，电路中的信号控制是很难通过单片机直接实现的。从而就会选择用到MOSFET触发电路。所谓控制脉冲的主要目的是通过相关的程序从而将电路中的相关信息进行清零处理。

本文设计的低压脉冲器处于短脉冲的工作状态下，输出脉冲是同方波，考虑到单片机所形成的方波的频率是10MHz，由于本系统设计方面需要保持后沿下降速度快，同时高压信号无法进入到控制回路中，所以系统就设计了MOSFET触发器电路，通过该电路能够实现触降落小的目的。下图3为脉冲形成原理图。

图3 脉冲形成原理图

5 MOSFET触发电路

脉冲发生电路中主要包括的有MOSFET触发器以及脉冲变压器和阻抗等，而关于MOSFET的所有特点中最重要的即是驱动电路比较简单。系统中的脉冲幅度是300V，其中等效负载设定的是100Ω，从而能够得到变压器的标称功率。MOSFET触发电路（图4）的特点是导通的速度以及关断的速度都很快，由于这种特点从而形成的脉冲比较窄，当MOSFET触发电路是保持开通的状态时，电荷会形成吸收的现象，当MOSFET触发电路关闭的时候，电荷就会出现放电的情形，从而驱动的实现需要通过触电脉冲来实现，在驱动力的作用下可以实现放电以及吸收电荷的效果。最终达到了对电力电缆的故障进行检测的目的。因此需要将MOSFET触发的脉冲进行调整为0，这样才能够起到电荷吸附的作用。一般而言，进行升降结合的MOSFET触发脉冲的工作状态是最为理想的。

图4 MOSFET触发电路

6 阻抗匹配网络

如果阻抗匹配得比较好的话，那么脉冲发生器在负载能力方面就会增强，将电缆接通之后发射脉冲的幅值在衰减程度方面不会很大。当接收到了反射波以后，此时的故障点也就是所谓的激励源，负载是发生器，这个时候反射波的幅值以及形状会手阻抗匹配性能的影响。阻抗匹配是在脉冲变压器的设计中进行，将阻抗匹配调节网络加入到输出电路的时候。能够在一定范围内对阻抗值以及输出脉冲的的值进行相应的调整，本论文采用的形式是电阻网络匹配。

当故障产生点和电缆出口之间距离远时，考虑到脉冲经过的路径长，对应的动力消耗就大，因此会采集到微弱的信号，此时解决方法是增加脉冲的电压幅值。

7 磁芯的选择

磁芯选择的时候需要根据按键的输入电路中的相关信息进行输入，根据一些输入信息适当地调整脉冲的频率以及宽度；LED的参数会随着脉冲变压器的工作状态不同而不同。选择的脉冲的瞬时频率是10MHz，设计中的脉冲速度的要求是前沿上升很快，而且同时也有很快的后沿下降速度。然而该脉冲的降落和平顶过冲的速度相对而言不是很大。所以将电容以及漏感的分布设置加入其中是很有必要的。同时在芯片的选择中关于各种损耗的因素暂时不需要考虑进去。本文设计的系统选择的磁芯是铁氧体磁环，这种磁芯所具有的特点是耦合系数很高。磁芯的尺寸计算公式如下：

其中公式中的具体参数介绍如表1所示。

表1 具体参数介绍

8 结语

随着现今的设备更新速度的飞速发展，以及多方面所承受的工作量的加大，在开展工作的过程中很容易引起各种故障，为了阻止这些突发情况的发生，设计基于单片机的低压脉冲发生器设计具有重要的意义。本文主要是介绍了基于单片机的低压脉冲发生器，文中介绍了低压脉冲的原理，以及电路的设计，在电子工业领域中，低压脉冲器起到了很大的作用。系统设计的其中选择的频率是100MHz的，而且宽度最小是0.14μs，电压的值达到了300V以上，同时电压的值是可以根据情况的不同性而进行调整的。随着电力技术的不断进步，关于脉冲发生器的研究十分普遍，而且有着重要的影响意义。

[1]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

[2]陈炯，李喆，尹毅，等.脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制[J].高电压技术，2005，31(5):39-40，49

[3]李龙，郑继禹，林基明，等.利用MOSFET产生纳秒级窄脉冲[J].桂林电子工业学院学报，2003，23(2):6-9

[4]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

[5]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