一种小功率地质发射机的设计

邓 珊，李 纵，汪 宇

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

0 引 言

电磁探测技术是根据电磁感应原理研究天然和人工（可控）场源在大地中激励的交变电磁场分布，并由观测到的电磁场分布研究地下电性和地质特征的一种地球物理方法。地质发射机是基于电磁探测技术的一种电磁探测设备[1-2]。本文设计了一种小功率地质发射机，具有频率覆盖范围广和功耗低的特点，可以工作在频域和时域，可以产生多种发射波形，且设备体积小、重量轻，适用于野外运输和携带，可以满足用户野外地质勘探的需求。

1 设备组成

小功率地质发射机主要由H桥发射电路和控制电路组成[3]，如图1所示。

图1 小功率地质发射机组成框图

小功率地质发射机的外部电源通常为高压直流电源或直流电源车，能为H桥发射电路提供高压直流电压。H桥发射电路是发射主机的核心部分，完成双极性脉冲电流信号的功率放大。控制电路主要完成电路电压、电流和温度等参数检测和保护控制功能。发射天线完成电磁辐射，可为接地天线或环状感性线圈。外部控制器为小功率地质发射机提供激励信号。+12 VDC充电输入用来给小功率地质发射机内部的12 V蓄电池充电。

2 硬件设计

2.1 H桥发射电路设计

小功率地质发射机的H桥发射电路是一个单相全桥逆变电路[4]，组成如图2所示。

图2 H桥发射电路组成框图

H桥发射电路由2个半桥组成，其中开关管T1、T4同时导通和关断，T2、T3同时导通和关断。T1和T3的驱动信号互补，T2和T4的驱动信号互补。小功率地质发射机中开关管为IGBT，型号选用西门康公司的SKM145GB176D，额定电压为1 700 V，额定电流为160 A。

2.2 控制电路设计

小功率地质发射机控制电路主要包括主控电路、驱动电路、参数检测电路、电源电路和+12 V充电电池等，组成如图3所示。

控制电路采用单片机和CPLD相结合的方式，由CPLD将外部控制器输出的激励信号进行处理后送到驱动电路[5]，控制H桥主电路功率器件的开通和关断，从而在发射天线上得到所需的发射信号。参数检测电路检测发射机输入的高压直流电压信号、发射机输出的电流信号、+12 VDC充电电池的电压信号和温度传感器检测的发射机工作温度信号。经过CPLD处理后的输出电流关断时间信号进入单片机，通过单片机进行运算处理后，可在参数显示模块上实时显示发射机工作参数。同时，单片机实时监测充电电池电压、发射机输出电流和发射工作温度，当实时监测的充电电池电压值、发射机输出电流值和发射工作温度出现异常时能优先进入保护中断，发出封锁信号，从而保护H桥主电路功率器件。

图3 控制电路组成框图

小功率地质发射机中，采用的单片机芯片型号为 C8051F340，CPLD 芯 片 型 号 为 EPM570T100I5，IGBT驱动芯片型号为QP12W058-37A，电源模块型号分别是VRA1215LD-15WR2、VRA1212LD-15WR2和VRA1205LD-15WR2，温度传感器型号为DS18B20Z。

3 系统软件设计

3.1 单片机软件设计

单片机软件设计中，单片机主要完成A/D采样、故障报警信号的判断以及发射机工作参数的显示功能。软件流程：开机后，单片机先进行初始化，然后循环扫描发射机高压直流输入电压、+12 V充电电池电压、发射机输出电流和发射机工作温度4个模拟输入端口，完成A/D采样；数据采集后，分别对+12 V充电电池电压、发射机输出电流以及发射机工作温度等数据进行判断，判断其是否在设定门限范围之内，超过门限则输出故障报警信号给CPLD；最后，将采集的工作参数通过参数显示电路显示出来[6]。

3.2 CPLD软件设计

CPLD主要完成发射机激励信号生成和发射控制、关断时间计算、信号保护闭锁、指示灯控制等逻辑功能模块设计，逻辑功能设计如图3所示。CPLD中的逻辑功能为：激励信号生成模块将外部控制器提供的两路信号转换为4路H桥主电路的激励信号；发射控制模块完成发射机的控制功能（复位键按下3 s内按发射键开始发射，3 s之外按发射键不发射）；关断时间计算模块完成输出电流关断时间的计算，并把关断时间数据送到单片机进行处理；信号保护闭锁模块完成故障信号的判断和激励信号的闭锁；指示灯控制模块完成发射机的状态指示。

4 试验数据

小功率地质发射机的测试波形如图4所示，其中驱动为64 Hz，占空比为100%的方波，负载为2 Ω电阻时的发射波形。通过波形图可以发现：小功率地质发射机能够输出稳定的电流波形。

图4 64 Hz，100%占空比输出波形

5 结 论

在电磁探测仪器的研究中，设计出一种可以应用在多种探测领域的小功率地质发射机具有重要意义，可以在国民建设中发挥重要作用。