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摘要： 利用计算机进行控制的生产自动化控制得到长足的发展，设备不同其脉冲触发的类型也不同，所以单片机脉冲发生装置就成为自动化控制领域中一种常用的子系统。这种基于单片机的控制子系统只需设计几块电路板即可实现，具有成本低廉、体积小的优点。就来讨论一下单片机低压脉冲发生器的研制。
关键词： 单片机；低压脉冲发生器
中图分类号：TM文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320069－01
低压脉冲法在现阶段电力电缆低阻、断路故障以及短路测距法，它的基本原理就是在电缆的始端施加发射脉冲，该脉冲就会传播至故障点发生反射，反射脉冲再向原来的方向进行传播，对发射脉冲与反射脉冲间的时间间隔进行检测，从而对故障点与测试端的距离做出判断。现在产生脉冲的方法有很多，不过主要都是基于晶体振荡器以及分频器对电路进行控制，再么就是利用延时线以及LC振荡电路而产生脉冲。本文所介绍的低压脉冲发生器就是基于单片机以及电力电子技术，对脉冲宽度以及频率的控制都相对方便，并且利用脉冲变压器耦合，再与阻抗匹配网络以及调查压装置相结合，就可以解决上述问题。
1 系统设计思想
本文的主要设计思想是利用单片机I/O口与脉冲变压器的灵活性来产生脉冲并对其加以控制。本系统主要由两部分组成，即控制电路与脉冲产生电路。
1.1 控制电路
控制电路的组成部分包括单片机、LED显示、按键输入、控制脉冲输出以及MOSFET触发电路，其中：系统所采用的5V窄脉冲就是由单片机组成，整个装置都是由其所控制；而人机交互的界面就是由按键输入来实现的，按照按键的输入信息对脉冲的宽度及频率进行调节；LED主要用来显示当前的脉冲参数信息；编写相应的程序实现单片机某I/P执行清零、置一等操作功能，从而输同方波脉冲；由于单片机所产生的方波控制信号相对比较弱，而控制回路又无法混入高压信号，因此系统中就采用MOSFET触发电路放大和隔离信号。
1.2 脉冲发生电路
脉冲发生电路包括：MOSFET、脉冲变压器以及相应的调压装置和阻抗匹配网络，这其中MOSFET最大的特点就是由于驱动电路相对简单，因此驱动功率相对较小，而且具有工作频率高以及开关速度快等优点，可以对触发信号作用快速良好的反应，脉冲变压器的通断可以利用MOSFET进行控制；MOSFET控制着脉冲变压器的导通，同时在非常短的时间宽度内随着MOSFET的开关而截止，产生一个脉冲并耦合到次边输出；调压装置可以对脉冲的电压幅值进行调节；脉冲变压器完成阻抗匹配，从而起到相应的微调作用，最终适应不同的场合。
2 MOSFET触发电路
MOSFET属于电压控制型的电力电子元件，漏极与栅极间施加相应的电压就可以导通漏极及源极，如果电压比所设定的值要低就会关断。MOSFET是现在导通及关断速度最快的元件，因此我们可以利用其快速通断的特点产生窄脉冲。不过由于其栅极有吸收电容存在，在开通时会吸收电荷，因此触发脉冲要具有一定的驱动能力，而且要可以在关断时吸收电荷。理想状态下的MOSFET触发脉冲应为陡升陡降，而且在降到零后有可以吸收电荷的负电压。本文所采用的系统也用到一个MOSFET以及脉冲变压器，其工作电压级别也是5V，单片机的I/O口会产生一个5V的脉冲，MOSFET被触发，其通断控制脉冲变压器在通断的过程中会产生MOSFET的触发主脉冲。
3 脉冲变压器
通常采用低压脉冲法进行电缆故障的测距时，一般其测试信号都使用负脉冲，为了保证测试效果的良好，要对电缆以及测测试电路进行隔离，同时对阻抗匹配也有要求，电路的主要部分工作在脉冲方法。脉冲电压及电流的变换过程可以利用脉冲变压器方便的实现，脉冲变压器可以对脉冲的阻抗及极性进行改变，同时还可以实现电气隔离，所以脉冲变压器是系统设计的最佳方案。
3.1 等效电路
首先来看一下脉冲变压器的等效电路，其如下图所示：
上图中：Lμ′：励磁电感；LS1′和LS2：线圈漏感；R1′和R2：线圈电阻；RB′：涡流作用及磁芯磁滞作用的等效电阻；C1：初级线圈电容；C2：次级线圈电容；C12：线圈间电容。
3.2 选择磁芯
脉冲变压器处于不同的工作状态下，要考虑其参数也有所不同。在本设地中，脉冲变压器处于一个很短脉冲的工作状态中，其瞬时频率大概在10 MHz，设计中要求脉冲的前沿上升以及后沿下降速度要快，平顶过冲及降落小。所以分布电容及漏感对其起决定作用，可以忽略损耗的影响。本系统采用铁氧体磁环作为磁芯，其特点是耦合系数高。其尺寸选择可以参照下式：
S1*S2=PT*106/2ηBmfδKMKC
其中：S1：磁芯截面积；S2：磁芯窗口面积；PT：变压器标称功率；η：变压器效率；Bm：最大磁感应密度；δ：绕组中电流密度；f：工作频率；KC：磁芯填充系数；KM：窗口铜填充系数。
设定脉冲幅度为300V，等效负载为100Ω，则得出变压器的标称功率PT就是900W，取变压器的效率指数为0.9，瞬时的频率取值10 MHz，相对于铁氧体磁环，磁芯的填充系数为1，最大磁感密度为0.15，窗口铜填充系数为0.2，由上述条件得出磁环尺寸。
3.3 选择线圈
初级线圈的匝数计算公式如下所示：
N1=（Umax*0.5*103）/（4Bm f SP）
其中：Umax：最高瞬时电压；Bm：最大磁感应密度；f：工作频率；SP为磁芯面积乘积，SP=S1*S2。
次级线圈的匝数计算公式如下所示：
N2= nN1
其中：n：变压器变比。
4 阻抗匹配网络及调压装置
脉冲发生器的带负载能力的强弱与阻抗匹配的性能有着直接的关系，阻抗匹配好才可以保证在接上电缆后发射脉冲的幅值不会有太大的衰减。
在接收反射波的过程中，可以认为故障点是激励源，发生器本身则可以认为是负载，这时阻抗匹配对于反射波的幅值及形状也有着直接影响。阻抗匹配主要是在脉冲变压器的设计中进行的，不过如果把阻抗匹配调节网络加入到输出电路中，就能实现在一定范围内对阻抗值及输出脉冲幅值的调节，从而在测试条件不同的情况下都可以使用。
参考文献：
[1]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，2009（5）.
[2]彭在灿，单片控制的抗干扰技术[J].机电工程技术，2007（5）.
[3]王云亮，电力电子技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
作者简介：
唐佣生（1986-），邵阳学院电子科学与技术专业学生；许建明（1977-），硕士研究生，邵阳学院信息工程系教师。
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词： 单片机；低压脉冲发生器
中图分类号：TM文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320069－01
低压脉冲法在现阶段电力电缆低阻、断路故障以及短路测距法，它的基本原理就是在电缆的始端施加发射脉冲，该脉冲就会传播至故障点发生反射，反射脉冲再向原来的方向进行传播，对发射脉冲与反射脉冲间的时间间隔进行检测，从而对故障点与测试端的距离做出判断。现在产生脉冲的方法有很多，不过主要都是基于晶体振荡器以及分频器对电路进行控制，再么就是利用延时线以及LC振荡电路而产生脉冲。本文所介绍的低压脉冲发生器就是基于单片机以及电力电子技术，对脉冲宽度以及频率的控制都相对方便，并且利用脉冲变压器耦合，再与阻抗匹配网络以及调查压装置相结合，就可以解决上述问题。
1 系统设计思想
本文的主要设计思想是利用单片机I/O口与脉冲变压器的灵活性来产生脉冲并对其加以控制。本系统主要由两部分组成，即控制电路与脉冲产生电路。
1.1 控制电路
控制电路的组成部分包括单片机、LED显示、按键输入、控制脉冲输出以及MOSFET触发电路，其中：系统所采用的5V窄脉冲就是由单片机组成，整个装置都是由其所控制；而人机交互的界面就是由按键输入来实现的，按照按键的输入信息对脉冲的宽度及频率进行调节；LED主要用来显示当前的脉冲参数信息；编写相应的程序实现单片机某I/P执行清零、置一等操作功能，从而输同方波脉冲；由于单片机所产生的方波控制信号相对比较弱，而控制回路又无法混入高压信号，因此系统中就采用MOSFET触发电路放大和隔离信号。
1.2 脉冲发生电路
脉冲发生电路包括：MOSFET、脉冲变压器以及相应的调压装置和阻抗匹配网络，这其中MOSFET最大的特点就是由于驱动电路相对简单，因此驱动功率相对较小，而且具有工作频率高以及开关速度快等优点，可以对触发信号作用快速良好的反应，脉冲变压器的通断可以利用MOSFET进行控制；MOSFET控制着脉冲变压器的导通，同时在非常短的时间宽度内随着MOSFET的开关而截止，产生一个脉冲并耦合到次边输出；调压装置可以对脉冲的电压幅值进行调节；脉冲变压器完成阻抗匹配，从而起到相应的微调作用，最终适应不同的场合。
2 MOSFET触发电路
MOSFET属于电压控制型的电力电子元件，漏极与栅极间施加相应的电压就可以导通漏极及源极，如果电压比所设定的值要低就会关断。MOSFET是现在导通及关断速度最快的元件，因此我们可以利用其快速通断的特点产生窄脉冲。不过由于其栅极有吸收电容存在，在开通时会吸收电荷，因此触发脉冲要具有一定的驱动能力，而且要可以在关断时吸收电荷。理想状态下的MOSFET触发脉冲应为陡升陡降，而且在降到零后有可以吸收电荷的负电压。本文所采用的系统也用到一个MOSFET以及脉冲变压器，其工作电压级别也是5V，单片机的I/O口会产生一个5V的脉冲，MOSFET被触发，其通断控制脉冲变压器在通断的过程中会产生MOSFET的触发主脉冲。
3 脉冲变压器
通常采用低压脉冲法进行电缆故障的测距时，一般其测试信号都使用负脉冲，为了保证测试效果的良好，要对电缆以及测测试电路进行隔离，同时对阻抗匹配也有要求，电路的主要部分工作在脉冲方法。脉冲电压及电流的变换过程可以利用脉冲变压器方便的实现，脉冲变压器可以对脉冲的阻抗及极性进行改变，同时还可以实现电气隔离，所以脉冲变压器是系统设计的最佳方案。
3.1 等效电路
首先来看一下脉冲变压器的等效电路，其如下图所示：
上图中：Lμ′：励磁电感；LS1′和LS2：线圈漏感；R1′和R2：线圈电阻；RB′：涡流作用及磁芯磁滞作用的等效电阻；C1：初级线圈电容；C2：次级线圈电容；C12：线圈间电容。
3.2 选择磁芯
脉冲变压器处于不同的工作状态下，要考虑其参数也有所不同。在本设地中，脉冲变压器处于一个很短脉冲的工作状态中，其瞬时频率大概在10 MHz，设计中要求脉冲的前沿上升以及后沿下降速度要快，平顶过冲及降落小。所以分布电容及漏感对其起决定作用，可以忽略损耗的影响。本系统采用铁氧体磁环作为磁芯，其特点是耦合系数高。其尺寸选择可以参照下式：
S1*S2=PT*106/2ηBmfδKMKC
其中：S1：磁芯截面积；S2：磁芯窗口面积；PT：变压器标称功率；η：变压器效率；Bm：最大磁感应密度；δ：绕组中电流密度；f：工作频率；KC：磁芯填充系数；KM：窗口铜填充系数。
设定脉冲幅度为300V，等效负载为100Ω，则得出变压器的标称功率PT就是900W，取变压器的效率指数为0.9，瞬时的频率取值10 MHz，相对于铁氧体磁环，磁芯的填充系数为1，最大磁感密度为0.15，窗口铜填充系数为0.2，由上述条件得出磁环尺寸。
3.3 选择线圈
初级线圈的匝数计算公式如下所示：
N1=（Umax*0.5*103）/（4Bm f SP）
其中：Umax：最高瞬时电压；Bm：最大磁感应密度；f：工作频率；SP为磁芯面积乘积，SP=S1*S2。
次级线圈的匝数计算公式如下所示：
N2= nN1
其中：n：变压器变比。
4 阻抗匹配网络及调压装置
脉冲发生器的带负载能力的强弱与阻抗匹配的性能有着直接的关系，阻抗匹配好才可以保证在接上电缆后发射脉冲的幅值不会有太大的衰减。
在接收反射波的过程中，可以认为故障点是激励源，发生器本身则可以认为是负载，这时阻抗匹配对于反射波的幅值及形状也有着直接影响。阻抗匹配主要是在脉冲变压器的设计中进行的，不过如果把阻抗匹配调节网络加入到输出电路中，就能实现在一定范围内对阻抗值及输出脉冲幅值的调节，从而在测试条件不同的情况下都可以使用。
参考文献：
[1]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，2009（5）.
[2]彭在灿，单片控制的抗干扰技术[J].机电工程技术，2007（5）.
[3]王云亮，电力电子技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
作者简介：
唐佣生（1986-），邵阳学院电子科学与技术专业学生；许建明（1977-），硕士研究生，邵阳学院信息工程系教师。
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”