航空電磁發射機的千安級發射電流峰值檢測電路

王 浩，李軍峰，吳 珊，劉 磊，劉俊杰，曹展宏

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

航空電磁法是利用飛機設備搭載電磁探測儀器從事地球物理勘探的技術方法。航空電磁法采用發射機連接發射線圈向地面發射電磁信號，通過接收線圈接收經空氣傳播的一次場信號和由地下導體介質激發生成的二次場信號[1]。發射技術研究的核心目標是大探測深度，而研發千安級脈沖發射技術是實現該目標的關鍵。大電流、高電壓與電流波形的保持及長時間穩定可靠發射是一對相互矛盾的關系[2]。所以必須設計系統參數監測功能，實現發射電流、電壓等參數的數據采集和過流、過壓保護功能，提高系統的穩定性和可靠性[3-5]。為有效監控發射系統的工作狀態，該文設計了航空電磁發射機的動態峰值電流檢測電路。在實際運行的基礎上，分析了其相關參數的設計。應用峰值電流檢測電路，可以使發射機被安全、正常、可靠地使用，便于人工干預和急停控制，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計方法有成本低廉、配置方便等優點。文中對模塊電路的具體構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生電路和數顯直流電壓表組成。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換成相應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]，通過數顯表顯示出來。

2 模塊電路總體設計

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采用半正弦波脈沖發射技術來實現千安級峰值電流的發射，最大峰值電流能達到1 000 A。因此，選用最大量程為1 000 A的閉環霍爾電流傳感器PROSys CP-1005進行電流向電壓信號的轉換。該電流傳感器可以在0～100 kHz的頻率范圍內以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生電路

圖3 中（a）、（b）、（c）分別為發射電流、系統同步脈沖、峰值同步觸發脈沖的波形圖。發射系統是基于FPGA 的發射波形控制器，其具備全部開關器件的同步控制功能，用于產生多通道控制脈沖驅動信號。發射波形的產生過程可簡單描述為：當檢測到系統同步脈沖信號的上升沿，發射橋路正向導通，產生正向波形；當再次檢測到同步脈沖信號的上升沿，發射橋路反向導通，產生反向波形。峰值同步觸發脈沖也由發射波形控制器產生，采用Verilog 語言進行編寫、采用狀態機+計數器的方法來實現。每次檢測到系統同步信號脈沖的上升沿時，計數器開始計數，同時延遲輸出高電平狀態，持續等待計數器計滿,隨即轉換為低電平狀態，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位和電流信號正峰值的采樣時間相對應。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 發射電流、系統同步脈沖、峰值同步觸發脈沖波形圖

2.2 絕對值電路

由于發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為單極性波形。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，如果阻值之間的關系滿足R10=R11=R12=R15=2R13時[10]，則輸入電壓、輸出電壓關系為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 引腳腳分別是復位、采樣的邏輯控制引腳，當兩引腳連接在一起，輸入高電平時，PKD01 進行復位，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吸收能力。為此可選用有機薄膜介質電容，如聚苯乙烯電容[11]，該設計取CH容值為1 000 pF。

當動態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[12]。因此，在復位脈沖的控制下，對每個峰值信號保持在周期內進行一次電容放電復位，以便為下一次采樣峰值數據做好準備。但由此出現保持電容瞬時放電使輸出信號短暫“趨零”的階躍問題，導致采樣數據發生偏差[13-14]。這時需要保證在每個信號周期內，放電脈沖極短且有效。并且對輸出信號進行適當比例的放大，該模塊電路中設計的放大倍數為2 倍。為了便于調節數顯模塊的顯示電壓，在輸入端加入電位器進行分壓[15]。這樣數顯電壓表呈現的數值可以較為實時、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、跟隨的性能。

3 調試與實驗結果

使用PROSys CP-1005 閉環霍爾電流傳感器、FLUKE 199C 示波器和WR5145 數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電流輸入端，發射波形控制器輸出的峰值同步觸發脈沖經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

調節電位器R14的阻值，使數顯直流電壓表顯示數值與TP1 波形的峰值一致。實驗中發射基頻為12.5 Hz，依此分別選取不同充電頻率和充電脈寬時所對應的峰值電流作為參考，分別記錄數顯模塊顯示數值、TP1 波形峰值，對每次結果取平均值，得到的測試數據如表1 所示。

表1 實驗測量數據

測試結果表明，數顯直流電壓表能實時顯示不同發射基頻、充電頻率和充電脈寬時所對應的峰值電流值，自動跟蹤良好。

4 結束語

發射機是時間域航空電磁系統最為關鍵的設備，為了保證發射機更加可靠地運行，需要提供人機交互界面，顯示關鍵發射電流峰值，方便操作員實時地監測信息。該設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具有低成本、實時響應、使用方便等優點，滿足發射機系統可靠性和穩定性的工作要求。