摘 要：介绍了基于瞬变电磁法原理的发射机，为了快速获取早期的瞬变信号，采用高速开关电路，可以满足us级关断时间的要求；在满足足够发射功率情况下，为保证系统的可靠性和安全性， 在设计中加入了过冲吸收电路和过流保护电路，并设计了高速采集模块，对发射电流和关断时间进行记录和实时显示。整个电路采用Phlips公司的单片机P89C58X2进行控制。
关键词：瞬变电磁；发射机；关断电流
中图分类号：TP212.13 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）08-0076-02
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(973计划)( 2007CB209407 )
作者简介：韩莉（1987-），女，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院硕士研究生，研究方向为检测与自动化装置；童敏明（1956-），男，浙江龙游人，中国矿业大学信息与电气工程学院教授，博士生导师，研究方向为传感器及检测技术；邓世建（1964-），男，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动；张剑英（1963-），女，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院副教授，研究方向为电磁场理论、信号与线性系统；郭秀兰（1968-），女，江苏徐州人，中国矿业大学信息与电气工程学院讲师，研究方向为电路与系统；徐楠（1985-），女，江苏宿迁人，中国矿业大学信息与电气工程学院硕士研究生，研究方向为检测与自动化装置。
1 发射桥路的设计
在设计发射桥路时采用MOSFET器件，这种器件的开关速度比IGBT更快， 而且其优良的自均流特性使其极易并联。本系统中桥路设计采用IRF3205型 HEXFET POWER MOSFET作为桥路开关元件，由于其通态电阻小，在发射大电流时，效率较高，不会引起器件电阻损耗而过热，只要采取简单的散热方式即可使其工作在允许的温度范围之内，对散热器件的安装空间没有太大要求。因此整个仪器系统体积较小而且工作可靠性较高。图1示出采用IRF3205设计的桥路示意图，W\-A控制VQ\-1，W\-B控制VQ\-2，两组轮流导通截止，从而在负载中成正负交替的双极性方波。当其中只有1组驱动信号（如W\-A有效时），在负载线圈中形成的为正脉冲或者负脉冲。为了实时检测，系统中加入了电流传感器模块，通过高速模数转换芯片采集和检测发射电流和关断时间，并对关断沿进行记录，以便后期对一次场进行数据处理。
图1 IRF3205桥路
2 驱动及保护单元设计
2.1 驱动电路设计
国际上，各个MOSFET生产厂家或公司，在推出其MOSFET的同时，都会推出与之配套的栅极驱动电路,使得驱动电路与MOSFET得到最优搭配。IR2110S也是美国国际整流器公司的产品，其利用独有的高压集成电路及无闩锁 CMOS 技术，大大简化了 MOSFET驱动电路，同时能实现对 MOSFET 最优驱动。如图2所示为采用IR2110S的驱动电路。
图2 采用IR2110S的驱动电路
2.2 过流保护单元设计
在大功率系统中，为保证系统工作的稳定性和可靠性，驱动和保护电路成为系统的关键部分之一，不论是采用晶闸管、BJT、IGBT还是MOSFET，其驱动电路对系统来说具有举足轻重的地位，在本设计中桥路开关元件采用美国国际整流器公司IR(International Rectifier）推出的IRF3205型HEXFET Power MOSFET，结合实际的电路参数和指标，采用了该公司的IR2110S作为驱动芯片,驱动保护单元如图3所示。
为防止系统在工作过程中出现过流现象，从而造成系统的严重损坏，因此对于像电磁发射系统这样的大功率型系统来说，进行过流保护是必不可少的。过流保护电路的设计方法很多，因过流检测方式的不同而不同，为简化过流保护电路同时保证保护电路的稳定性和可靠性，结合IR2110S设计如图4所示的过流保护电路，该电路采用电流传感器检测发射回线负载中的电流，当电流超过设定电流时，由比较器U1 输出高电平，使得 IR2110S保护信号输入端置高，其输入信号全部封锁，对应驱动输出端恒为低电平，实现对 IRF3205 的保护。过流信息同时通过光耦通知主控单元并上传给上位机。当电路小于设定电流时，保护封锁解除。其中Csd是主控单元的启动发射控制信号，与过流保护信号共同对IR2110S的SD引脚的控制。R20将电流传感器感应的电流信号转变为电压信号， 检测电路中并联C20、C21以防止误保护，对尖峰过冲进行滤波处理。
图4 过流保护电路
3 发射电流检测系统的设计
3.1 发射电流关断波形记录单元的设计
本系统采用北京科海电子技术有限公司的电流传感器模块KT100/P磁平衡式流传感器来获取采样电流。科海电流模块是利用霍尔效应，采用磁补偿原理，被测回路与测量回路绝缘。可测直流、交流、脉动电流频率范围0~100KHz，测量电流正比于被测电流。
由于电流传感器的磁耦合实现手段，就限制了电流传感器的电压变化率跟不上关断波形的快速变化，这样真实的电流波形在输出端被变形，还形成了较大的过冲，而从实际发射线圈上监测，过冲通过电流传感器之后明显被放大了。为了高速、准确、不失真地记录发射电流关断波形，经研究发现在发射线圈中直接串入纯电阻能够很好的解决电流传感器采样的信号变形问题。通过取样电阻的合理选取和前端放大电路的合理设计，就能够在AD输入端上获得比较干净的发射电流关断波形。
论文综合考虑了AD转换量程和串入电阻对发射机发射电流影响等因素，选用了两个0.05Ω相串接的纯电阻串行接入发射线圈中。这两个电阻不能够选用阻值再大的，虽然电阻越大，取样的信号信噪比越高，但是因为发射线圈电阻约为1Ω左右，如果取样装置电阻较大，就会减小发射电流，对发射机效果产生影响。电阻取样原理示意图如图5所示。
3.2 发射电流波形及关断时间采集单元的设计
电流波形记录采用凌特公司生产的高速AD：LTC1412（12BIT，3M），双极性：±2.5V。由于其内部带有基准源和采样保持器，因此可以有效的减少孔径误差，内部并集成了采集逻辑控制单元，在采样时钟的控制下能自主的实现流水线采集。从科海模块得到的电流信号经过信号放大、滤波等信号调理电路输入给LTC1412进行采集，通过FIFO实现采集数据缓存。
图5 电流取样原理
发射电流关断时间的测量是通过定时计数器来完成的，其原理如图6所示。同步时钟的下降沿触发定时计数器开始计数，当电流下降到零时停止计数，同时时序电路锁存当前计数值，在计数器未读前防止再次触发计数。因此根据测量信号的特性，设计了关断时间测量电路，同电流波形记录一样，科海霍尔电流传感器对发射电流信号取样，通过前置放大和滤波电路，进行信号调理，这部分电路与电流波形记录单元共用一套，由于发射的电流是双极性的方波，霍尔传感器感应回来的电流信号也是双极性的，为了适应后面比较电路、电路中设计了绝对值电路将负信号取正，电流信号经过绝对值电流后进入过零比较器，输入给计数时序控制逻辑。
单片机对定时计数器设置完毕启动关断时间测量后，由同步时钟触发对时钟信号计数，当电流关断到零时停止计数并锁存定时计数器等待控制系统读取关断时间，读完之后，设置定时计数器以测量下一个下降沿关断时间。
图6 电流关断时间采集时序
4 结束语
本文分析设计的瞬变电磁探测发射机，采用新型 MOSFET器件，设计了稳定的发射桥路及其驱动电路，实现了大电流发射以及对发射电路的发射电流、关断延迟时间等参数的实时检测与存储，方便了数据后期处理；实现了发射电路的可靠控制，具有防止过流、欠压的保护措施。
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（责任编辑：余 晓）
