航空电磁发射机的千安级发射电流峰值检测电路

王 浩，李军峰，吴 珊，刘 磊，刘俊杰，曹展宏

（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北廊坊 065000）

航空电磁法是利用飞机设备搭载电磁探测仪器从事地球物理勘探的技术方法。航空电磁法采用发射机连接发射线圈向地面发射电磁信号，通过接收线圈接收经空气传播的一次场信号和由地下导体介质激发生成的二次场信号[1]。发射技术研究的核心目标是大探测深度，而研发千安级脉冲发射技术是实现该目标的关键。大电流、高电压与电流波形的保持及长时间稳定可靠发射是一对相互矛盾的关系[2]。所以必须设计系统参数监测功能，实现发射电流、电压等参数的数据采集和过流、过压保护功能，提高系统的稳定性和可靠性[3-5]。为有效监控发射系统的工作状态，该文设计了航空电磁发射机的动态峰值电流检测电路。在实际运行的基础上，分析了其相关参数的设计。应用峰值电流检测电路，可以使发射机被安全、正常、可靠地使用，便于人工干预和急停控制，因此是一种有效、简单的控制方案[6]。并且这种模块化电路的设计方法有成本低廉、配置方便等优点。文中对模块电路的具体构成以及各模块的工作原理展开了如下详细介绍。

1 模块电路组成及其工作原理

模块电路主要由电流传感器、绝对值电路、峰值采样保持电路、峰值采样同步脉冲发生电路和数显直流电压表组成。其原理方框图如图1 所示。

图1 模块电路原理框图

电流传感器首先将交流电流信号转换成相应比例的交流电压信号。然后，将该交流电压信号取绝对值后，得到直流电压信号，然后进行正向检波。将正向电压信号送入峰值采样保持电路，在峰值采样同步脉冲的作用下，进行电压峰值的采样。峰值检测保持电路运用缓冲器将得到的峰值电压信号接收后[7]，通过数显表显示出来。

2 模块电路总体设计

图2 是峰值电流检测电路的整体原理图。Y12F时间域航空电磁系统采用半正弦波脉冲发射技术来实现千安级峰值电流的发射，最大峰值电流能达到1 000 A。因此，选用最大量程为1 000 A的闭环霍尔电流传感器PROSys CP-1005进行电流向电压信号的转换。该电流传感器可以在0～100 kHz的频率范围内以1 mA的分辨率进行5 mA～1 000 A电流的精确测量[8]。

图2 峰值电流检测电路原理图

2.1 峰值采样同步脉冲发生电路

图3 中（a）、（b）、（c）分别为发射电流、系统同步脉冲、峰值同步触发脉冲的波形图。发射系统是基于FPGA 的发射波形控制器，其具备全部开关器件的同步控制功能，用于产生多通道控制脉冲驱动信号。发射波形的产生过程可简单描述为：当检测到系统同步脉冲信号的上升沿，发射桥路正向导通，产生正向波形；当再次检测到同步脉冲信号的上升沿，发射桥路反向导通，产生反向波形。峰值同步触发脉冲也由发射波形控制器产生，采用Verilog 语言进行编写、采用状态机+计数器的方法来实现。每次检测到系统同步信号脉冲的上升沿时，计数器开始计数，同时延迟输出高电平状态，持续等待计数器计满,随即转换为低电平状态，再次等待同步脉冲信号上升沿的到来[9]。该方波高电平和低电平时间分别与放电复位和电流信号正峰值的采样时间相对应。采用光耦HFBR1522、HFBR2522 对输入、输出峰值采样同步脉冲信号进行隔离。

图3 发射电流、系统同步脉冲、峰值同步触发脉冲波形图

2.2 绝对值电路

由于发射电流为双极性信号，为保证同时检测到信号的正、负峰值，利用绝对值电路使双极性波形变为单极性波形。该电路由放大器、整流二极管和电阻等器件组成，图2 所示绝对值电路即为正输出绝对值电路，如果阻值之间的关系满足R10=R11=R12=R15=2R13时[10]，则输入电压、输出电压关系为Vo=-Vi(Vi＜0),Vo=Vi(Vi＞0)。

2.3 峰值电流检测保持电路

选用采样保持集成芯片PKD01 作为峰值电流检测保持电路的核心器件，其可以对模拟信号进行采样、存储，该芯片具有功能强、体积小、运行平稳可靠等特点。具体组成电路如图2 峰值电流保持电路所示。PKD01 的1、14 引脚脚分别是复位、采样的逻辑控制引脚，当两引脚连接在一起，输入高电平时，PKD01 进行复位，保持电容CH放电；输入低电平时，PKD01 进行采样，模拟电压信号使保持电容CH迅速充电。电容CH的质量对模拟电压的保持影响较大，因此对该电容的要求较高。要求其有极高的绝缘电阻和低介质吸收能力。为此可选用有机薄膜介质电容，如聚苯乙烯电容[11]，该设计取CH容值为1 000 pF。

当动态电流信号峰值到来时，该峰值信号会被一直保持，如果不将电容CH中的充电电荷释放，当下一次输入的电流信号峰值比前一次的峰值低时，新的输入峰值信号不会得到及时响应[12]。因此，在复位脉冲的控制下，对每个峰值信号保持在周期内进行一次电容放电复位，以便为下一次采样峰值数据做好准备。但由此出现保持电容瞬时放电使输出信号短暂“趋零”的阶跃问题，导致采样数据发生偏差[13-14]。这时需要保证在每个信号周期内，放电脉冲极短且有效。并且对输出信号进行适当比例的放大，该模块电路中设计的放大倍数为2 倍。为了便于调节数显模块的显示电压，在输入端加入电位器进行分压[15]。这样数显电压表呈现的数值可以较为实时、准确地还原电流峰值，同时方便校准[16]。这样，就保证了峰值电流检测电路准确、平稳、跟随的性能。

3 调试与实验结果

使用PROSys CP-1005 闭环霍尔电流传感器、FLUKE 199C 示波器和WR5145 数显直流电压表对模块电路进行分块测试和校准。电流传感器接入采样保持电路的动态电流输入端，发射波形控制器输出的峰值同步触发脉冲经光纤连接线接入采样保持电路的HFBR2522 光耦端，输出信号接入数显模块。对模块电路中的TP1-TP5 各检测点信号进行测试，图4（a）、（b）、（c）、（d）中A 波形即为TP1 点的输入信号波形，B 波形依次为TP2-TP5 各检测点的波形。检测点TP1-TP5 的位置如图2 所示。

图4 主要检测点波形

调节电位器R14的阻值，使数显直流电压表显示数值与TP1 波形的峰值一致。实验中发射基频为12.5 Hz，依此分别选取不同充电频率和充电脉宽时所对应的峰值电流作为参考，分别记录数显模块显示数值、TP1 波形峰值，对每次结果取平均值，得到的测试数据如表1 所示。

表1 实验测量数据

测试结果表明，数显直流电压表能实时显示不同发射基频、充电频率和充电脉宽时所对应的峰值电流值，自动跟踪良好。

4 结束语

发射机是时间域航空电磁系统最为关键的设备，为了保证发射机更加可靠地运行，需要提供人机交互界面，显示关键发射电流峰值，方便操作员实时地监测信息。该设计中各级电路间进行直接耦合，减少了信号在传输过程中的延时和变形。通过实验证实了该电路系统具有低成本、实时响应、使用方便等优点，满足发射机系统可靠性和稳定性的工作要求。