基于恒压钳位技术的梯形波发射关键技术研究

作     者：吴大用 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于生宝

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：恒压钳位 电流分段控制 电压监测 能量转移 发射机 

摘      要：伴随我国经济的腾飞，与经济发展密切相关的矿产资源的地位也越来越凸显出来。瞬变电磁法以其良好的大地穿透能力，高探测密度，大量的反应地质信息等优势，成为目前应用最为广泛的地球物理方法。应用领域包括能源勘探，城市建设，防灾防害等方面。瞬变电磁仪器自上世纪50年代开始出现，迄今已发展出多种系统，多型号的仪器。其中发射机输出波形质量、产生电磁干扰的强弱，性能的稳定，是判断系统的整体性能的重要因素。目前，常见的激发波形有方波，梯形波，三角波及正弦波。从波形的激发响应来看，方波的激发效果最好。但在多数情况下，发射机所采用的负载是感性负载，使得发射波形为方波时，容易产生波形畸变，因而使用梯形波替代方波。本文主要研究梯形波波形质量的提高。 国内外对梯形波发射机也作了一定研究，虽然已研制出了实际使用的仪器，但在波形上升沿利用、梯形波平顶段维持电流平稳、波形下降沿下降时间可控等方面还有待提高。本文针对上述问题，设计了基于恒压钳位技术的梯形波发射机，提高波形的质量，减小波形畸变。 阐述影响各阶段波形质量的因素，并通过理论计算得到验证。提出了电流分段控制思路，通过对比各种方案的优缺点，为每段选定最佳的设计方案，并利用Simulink仿真软件进行仿真。设计电路主要包括充电单元、平顶维持单元、钳位单元、能量转移单元、电压监测单元、主控单元、驱动保护单元。 主控单元是以msp430单片机为核心，通过键盘输入系统的工作频率，产生开关器件的驱动信号，并在1602液晶上显示。逻辑控制电路的作用是对单片机输出的信号进行与、或运算，防止系统程序出错时造成桥路大臂直通，影响系统正常工作。在驱动信号与发射桥路之间用信号隔离电路连接，使得强电弱电信号隔离，提高系统的安全性。 发射机的充电单元利用的是RC充电电路，实现对平顶维持电容及钳位电容的充电。电压监测单元利用VSM025A型霍尔电压传感器采集电容电压，不断的监测电容上的电压，通过控制充放电电路的工作，维持电容上电压值为设定值。为了增加系统的抗干扰性，设计了施密特触发电路，通过设置合理的门限宽度，使得功率开关管不会频繁的开关。当发射电流值下降到零时，能量转移单元采用升压斩波电路，将钳位电容中多余的能量转移到电源两端，提高系统功率的利用率。为了保证系统的工作正常，通过选择能量转移电路中电感的参数，使得电路工作在电流断续工作状态。驱动保护单元采用的是带有降频功能的驱动保护电路，通过控制栅极电压降低速率，避免器件的过流。同时，设定一定的封锁时间，减少故障发生时，保护电路启动次数。 按照设计方案搭建实验电路，实验结果验证了利用恒压钳位的方法，改善梯型电流脉冲波形质量的正确性。实现了上升段波形与下降段波形的对称，有效的利用了系统的功率，维持了平顶段波形平稳，同时波形线性度高，有效提高了发射波形质量。同时，对发射机不完善之处提出改进建议。