王 浩，李軍峰，吳 珊，劉 磊，劉俊杰，曹展宏

（中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所自然資源部地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，河北廊坊 065000）

航空電磁法是利用飛機設(shè)備搭載電磁探測儀器從事地球物理勘探的技術(shù)方法。航空電磁法采用發(fā)射機連接發(fā)射線圈向地面發(fā)射電磁信號，通過接收線圈接收經(jīng)空氣傳播的一次場信號和由地下導(dǎo)體介質(zhì)激發(fā)生成的二次場信號[1]。發(fā)射技術(shù)研究的核心目標是大探測深度，而研發(fā)千安級脈沖發(fā)射技術(shù)是實現(xiàn)該目標的關(guān)鍵。大電流、高電壓與電流波形的保持及長時間穩(wěn)定可靠發(fā)射是一對相互矛盾的關(guān)系[2]。所以必須設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測功能，實現(xiàn)發(fā)射電流、電壓等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和過流、過壓保護功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3-5]。為有效監(jiān)控發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)，該文設(shè)計了航空電磁發(fā)射機的動態(tài)峰值電流檢測電路。在實際運行的基礎(chǔ)上，分析了其相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。應(yīng)用峰值電流檢測電路，可以使發(fā)射機被安全、正常、可靠地使用，便于人工干預(yù)和急?？刂?，因此是一種有效、簡單的控制方案[6]。并且這種模塊化電路的設(shè)計方法有成本低廉、配置方便等優(yōu)點。文中對模塊電路的具體構(gòu)成以及各模塊的工作原理展開了如下詳細介紹。

1 模塊電路組成及其工作原理

模塊電路主要由電流傳感器、絕對值電路、峰值采樣保持電路、峰值采樣同步脈沖發(fā)生電路和數(shù)顯直流電壓表組成。其原理方框圖如圖1 所示。

圖1 模塊電路原理框圖

電流傳感器首先將交流電流信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的交流電壓信號。然后，將該交流電壓信號取絕對值后，得到直流電壓信號，然后進行正向檢波。將正向電壓信號送入峰值采樣保持電路，在峰值采樣同步脈沖的作用下，進行電壓峰值的采樣。峰值檢測保持電路運用緩沖器將得到的峰值電壓信號接收后[7]，通過數(shù)顯表顯示出來。

2 模塊電路總體設(shè)計

圖2 是峰值電流檢測電路的整體原理圖。Y12F時間域航空電磁系統(tǒng)采用半正弦波脈沖發(fā)射技術(shù)來實現(xiàn)千安級峰值電流的發(fā)射，最大峰值電流能達到1 000 A。因此，選用最大量程為1 000 A的閉環(huán)霍爾電流傳感器PROSys CP-1005進行電流向電壓信號的轉(zhuǎn)換。該電流傳感器可以在0～100 kHz的頻率范圍內(nèi)以1 mA的分辨率進行5 mA～1 000 A電流的精確測量[8]。

圖2 峰值電流檢測電路原理圖

2.1 峰值采樣同步脈沖發(fā)生電路

圖3 中（a）、（b）、（c）分別為發(fā)射電流、系統(tǒng)同步脈沖、峰值同步觸發(fā)脈沖的波形圖。發(fā)射系統(tǒng)是基于FPGA 的發(fā)射波形控制器，其具備全部開關(guān)器件的同步控制功能，用于產(chǎn)生多通道控制脈沖驅(qū)動信號。發(fā)射波形的產(chǎn)生過程可簡單描述為：當(dāng)檢測到系統(tǒng)同步脈沖信號的上升沿，發(fā)射橋路正向?qū)?，產(chǎn)生正向波形；當(dāng)再次檢測到同步脈沖信號的上升沿，發(fā)射橋路反向?qū)ǎa(chǎn)生反向波形。峰值同步觸發(fā)脈沖也由發(fā)射波形控制器產(chǎn)生，采用Verilog 語言進行編寫、采用狀態(tài)機+計數(shù)器的方法來實現(xiàn)。每次檢測到系統(tǒng)同步信號脈沖的上升沿時，計數(shù)器開始計數(shù)，同時延遲輸出高電平狀態(tài)，持續(xù)等待計數(shù)器計滿,隨即轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)，再次等待同步脈沖信號上升沿的到來[9]。該方波高電平和低電平時間分別與放電復(fù)位和電流信號正峰值的采樣時間相對應(yīng)。采用光耦HFBR1522、HFBR2522 對輸入、輸出峰值采樣同步脈沖信號進行隔離。

圖3 發(fā)射電流、系統(tǒng)同步脈沖、峰值同步觸發(fā)脈沖波形圖

2.2 絕對值電路

由于發(fā)射電流為雙極性信號，為保證同時檢測到信號的正、負峰值，利用絕對值電路使雙極性波形變?yōu)閱螛O性波形。該電路由放大器、整流二極管和電阻等器件組成，圖2 所示絕對值電路即為正輸出絕對值電路，如果阻值之間的關(guān)系滿足R10=R11=R12=R15=2R13時[10]，則輸入電壓、輸出電壓關(guān)系為Vo=-Vi(Vi＜0),Vo=Vi(Vi＞0)。

2.3 峰值電流檢測保持電路

選用采樣保持集成芯片PKD01 作為峰值電流檢測保持電路的核心器件，其可以對模擬信號進行采樣、存儲，該芯片具有功能強、體積小、運行平穩(wěn)可靠等特點。具體組成電路如圖2 峰值電流保持電路所示。PKD01 的1、14 引腳腳分別是復(fù)位、采樣的邏輯控制引腳，當(dāng)兩引腳連接在一起，輸入高電平時，PKD01 進行復(fù)位，保持電容CH放電；輸入低電平時，PKD01 進行采樣，模擬電壓信號使保持電容CH迅速充電。電容CH的質(zhì)量對模擬電壓的保持影響較大，因此對該電容的要求較高。要求其有極高的絕緣電阻和低介質(zhì)吸收能力。為此可選用有機薄膜介質(zhì)電容，如聚苯乙烯電容[11]，該設(shè)計取CH容值為1 000 pF。

當(dāng)動態(tài)電流信號峰值到來時，該峰值信號會被一直保持，如果不將電容CH中的充電電荷釋放，當(dāng)下一次輸入的電流信號峰值比前一次的峰值低時，新的輸入峰值信號不會得到及時響應(yīng)[12]。因此，在復(fù)位脈沖的控制下，對每個峰值信號保持在周期內(nèi)進行一次電容放電復(fù)位，以便為下一次采樣峰值數(shù)據(jù)做好準備。但由此出現(xiàn)保持電容瞬時放電使輸出信號短暫“趨零”的階躍問題，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)發(fā)生偏差[13-14]。這時需要保證在每個信號周期內(nèi)，放電脈沖極短且有效。并且對輸出信號進行適當(dāng)比例的放大，該模塊電路中設(shè)計的放大倍數(shù)為2 倍。為了便于調(diào)節(jié)數(shù)顯模塊的顯示電壓，在輸入端加入電位器進行分壓[15]。這樣數(shù)顯電壓表呈現(xiàn)的數(shù)值可以較為實時、準確地還原電流峰值，同時方便校準[16]。這樣，就保證了峰值電流檢測電路準確、平穩(wěn)、跟隨的性能。

3 調(diào)試與實驗結(jié)果

使用PROSys CP-1005 閉環(huán)霍爾電流傳感器、FLUKE 199C 示波器和WR5145 數(shù)顯直流電壓表對模塊電路進行分塊測試和校準。電流傳感器接入采樣保持電路的動態(tài)電流輸入端，發(fā)射波形控制器輸出的峰值同步觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖連接線接入采樣保持電路的HFBR2522 光耦端，輸出信號接入數(shù)顯模塊。對模塊電路中的TP1-TP5 各檢測點信號進行測試，圖4（a）、（b）、（c）、（d）中A 波形即為TP1 點的輸入信號波形，B 波形依次為TP2-TP5 各檢測點的波形。檢測點TP1-TP5 的位置如圖2 所示。

圖4 主要檢測點波形

調(diào)節(jié)電位器R14的阻值，使數(shù)顯直流電壓表顯示數(shù)值與TP1 波形的峰值一致。實驗中發(fā)射基頻為12.5 Hz，依此分別選取不同充電頻率和充電脈寬時所對應(yīng)的峰值電流作為參考，分別記錄數(shù)顯模塊顯示數(shù)值、TP1 波形峰值，對每次結(jié)果取平均值，得到的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實驗測量數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，數(shù)顯直流電壓表能實時顯示不同發(fā)射基頻、充電頻率和充電脈寬時所對應(yīng)的峰值電流值，自動跟蹤良好。

4 結(jié)束語

發(fā)射機是時間域航空電磁系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備，為了保證發(fā)射機更加可靠地運行，需要提供人機交互界面，顯示關(guān)鍵發(fā)射電流峰值，方便操作員實時地監(jiān)測信息。該設(shè)計中各級電路間進行直接耦合，減少了信號在傳輸過程中的延時和變形。通過實驗證實了該電路系統(tǒng)具有低成本、實時響應(yīng)、使用方便等優(yōu)點，滿足發(fā)射機系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的工作要求。