CN104378087B - 基于gps秒脉冲同步电源输出的电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路及系统，该电路包括：正弦基波生成电路、三角波生成电路及SPWM波合成电路，正弦基波生成电路中，第一倍频锁相器接收GPS秒脉冲信号，时钟分频信号经过定时计数器及第一倍频锁相器，生成正弦基波信号；计数器接收正弦基波信号与GPS秒脉冲信号，输出同步正弦基波信号；同步正弦基波信号经过存储器及数模转换器，生成并输出模拟正弦基波信号；运算放大器接收模拟正弦基波信号，并输出放大后的正弦基波信号；三角波生成电路中，晶体振荡器生成的时钟方波信号经过积分电路，生成调制三角波；SPWM波合成电路接收调制三角波及放大后的正弦基波信号，生成SPWM波信号。

Description

基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路及系统

技术领域

本发明是关于井下和海洋地质勘探技术，具体地，是关于一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统。

背景技术

电磁测井和海洋电磁勘探时，在地面大功率高压、中频向下供电时，为了减少长线上功率的损耗，通常把多芯电缆并在一起向下供电。这样对同步要求非常高的井下或水下设备就没有多余的导线下传地面高精度的GPS秒脉种信号，使得在不加入另一条导线的情况下，减少导线功率损耗和同步传输难以同时实现。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，以实现在减少导线功率损耗的同时，完成电源信号的同步传输。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，该电路包括：正弦基波生成电路、三角波生成电路及SPWM波合成电路，其中，所述的正弦基波生成电路包括：定时计数器、第一倍频锁相器、计数器、存储器、数模转换器及运算放大器，所述定时计数器的输入端接收一时钟分频信号，将所述时钟分频信号进行计数后发送给所述的第一倍频锁相器；所述的第一倍频锁相器接收一GPS秒脉冲信号，根据所述时钟分频信号生成与所述GPS秒脉冲信号同频同相的正弦基波信号；并将所述正弦基波信号输出至所述的计数器；所述的计数器接收所述正弦基波信号与所述GPS秒脉冲信号，输出零相位点与所述GPS秒脉冲信号同步的同步正弦基波信号；所述同步正弦基波信号经过所述的存储器及数模转换器，生成模拟正弦基波信号，并输出至所述的运算放大器；所述运算放大器接收所述模拟正弦基波信号，输出放大后的正弦基波信号至所述的SPWM波合成电路；所述的三角波生成电路包括：晶体振荡器及积分电路，所述晶体振荡器生成一时钟方波信号；所述的积分电路接收所述时钟方波信号，并对所述时钟方波信号进行积分，生成并输出调制三角波；所述的SPWM波合成电路包括：比较器及SPWM波合成模块，所述的比较器接收所述的调制三角波及放大后的正弦基波信号，确定所述调制三角波及放大后的正弦基波信号的交点；所述的SPWM波合成模块根据所述的交点合成SPWM波信号。

在一实施例中，上述的电路还包括：分频器，所述分频器的输出端与所述的定时计数器连接，所述分频器的输入端接收一初始时钟信号，将所述初始时钟信号进行分频后生成所述的时钟分频信号，并输出至所述的定时计数器。

具体地，上述的初始时钟信号的频率为6.14Mhz。

在一实施例中，上述的电路还包括：第二倍频锁相器，连接于所述第一倍频锁相器及所述计数器之间，所述第二倍频锁相器接收所述的正弦基波信号，调整所述正弦基波信号的分辨率，生成并输出调整后正弦基波信号；所述的计数器接收所述调整后正弦基波信号及GPS秒脉冲信号，输出所述的同步正弦基波信号。

在一实施例中，上述的正弦基波信号的频率为400Hz。

在一实施例中，上述的时钟方波信号的频率为8kHz。

本发明实施例还提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，该系统包括：输入电源、整流滤波电路、三相整流桥、全桥逆变电路、高压输出电路、驱动电路及上述的电路，其中，所述的输入电源、整流滤波电路、三相整流桥、全桥逆变电路及高压输出电路依次连接，所述驱动电路的一端与所述电路连接，另一端与所述的全桥逆变电路连接；所述整流滤波电路接收所述输入电源的输出信号，将所述输出信号滤波后生成滤波后输出信号，并将所述的滤波后输出信号传输至所述的三相整流桥；所述三相整流桥将所述的滤波后输出信号进行整流后生成直流信号，并将所述直流信号输出至所述的全桥逆变电路；所述电路输出所述SPWM波信号至所述的驱动电路，所述驱动电路放大所述的SPWM波信号，并通过放大后的SPWM波信号驱动所述全桥逆变电路将所述直流信号转变为电压脉冲序列；所述全桥逆变电路输出所述电压脉冲序列至所述的高压输出电路；所述的高压输出电路接收所述电压脉冲序列，并输出单相电源信号。

在一实施例中，上述的高压输出电路包括：变频变压器、滤波电容及高压变压器，所述变频变压器及滤波电容接收所述的电压脉冲序列，生成正弦单相电源信号，并输出至所述的高压变压器；所述的高压变压器接收所述的正弦单相电源信号，将所述正弦单相电源信号放大后，生成并输出所述单相电源信号。

在一实施例中，上述的系统还包括：输入控制交流接触器，所述的输入控制交流接触器连接于所述整流滤波电路及三相整流桥之间，当所述滤波后输出信号大于一阈值时，所述输入控制交流接触器导通，将所述滤波后输出信号传输至所述的三相整流桥。

在一实施例中，上述的系统还包括：输入空气开关，所述的输入空气开关连接在所述的输入电源及整流滤波电路之间，当所述输出信号超过一额定值时，所述的输入空气开关断开。

本发明实施例的有益效果在于，通过本发明，可以在不加入导线的情况下，完成电源信号的同步传输，并且可减少导线的功率损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100的结构示意图；

图2A为根据本发明实施例的正弦基波生成电路1的结构示意图；

图2B为根据本发明实施例的正弦基波生成电路1的另一结构示意图；

图2C为根据本发明实施例的正弦基波生成电路1的原理图；

图3为根据本发明实施例的三角波生成电路2的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的SPWM波合成电路3的结构示意图；

图5A为根据本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的结构示意图；

图5B及图5C为根据本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的另一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路及系统。以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明实施例提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，如图1所示，该基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100包括：正弦基波生成电路1、三角波生成电路2及SPWM波合成电路3。其中，该正弦基波生成电路1用以生成与GPS秒脉冲波信号同步的正弦基波信号，三角波生成电路2用以生成调制三角波，SPWM波合成电路3接收上述的正弦基波信号及调制三角波，从而合成SPWM波信号。由于合成的SPWM波信号是与GPS秒脉冲信号同步同相的信号，其可以用于对电源输出信号进行同步驱动，从而可实现在不增加导线的前提下，对电源输出信号的同步输出。

具体地，如图2A所示，上述的正弦基波生成电路1包括：定时计数器11、倍频锁相器12、计数器13、存储器14、数模转换器15及运算放大器16。

上述的定时计数器11的输入端接收一时钟分频信号，将该时钟分频信号进行计数后发送给倍频锁相器12。倍频锁相器12接收一GPS秒脉冲信号，并根据定时计数器11发送的时钟分频信号生成与该GPS秒脉冲信号同频同相的正弦基波信号，并将该正弦基波信号输出至计数器13。

具体实施时，上述的时钟分频信号可以通过一分频器17输出，如图2B及图2C所示，该分频器17的输出端与定时计数器11连接，该分频器17输入端接收一初始时钟信号，分频器17将该初始时钟信号进行分频后生成上述的时钟分频信号，并输出至定时计数器11。并且，在一实施例中，该倍频锁相器12生成的正弦基波信号的频率为400Hz，该分频器17接收的初始时钟信号的频率为6.14Mhz，但此数值仅是用以举例说明本发明实施例的技术内容，而并非用以限制本发明，正弦基波信号及初始时钟信号的频率可以根据实际应用中的需要进行调整。

上述的计数器13接收倍频锁相器12输出的正弦基波信号，并且，计数器13也接收上述的GPS秒脉冲信号，该GPS秒脉冲信号用以复位该计数器13，从而使该计数器13输出零相位点与该GPS秒脉冲信号同步的同步正弦基波信号，并输出该同步正弦基波信号至存储器14。具体实施时，可以是通过在基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100设置一GPS系统来生成上述的GPS秒脉冲信号。当GPS系统收到三个星的信号后，锁定UTC时间及格林威治时间，将UTC时间转换成当地时间，并锁定可靠的秒脉冲时间，并利用秒脉冲(pps)信号，每秒装一次400Hz的正弦基波，从而确保在每秒内正弦基波的零相位点与pps信号同步。

存储器14与模数转换器15连接，该同步正弦基波信号经过存储器14传输至数模转换器15，通过该数模转换器15进行数模转换，生成模拟正弦基波信号，数模转换器15将该模拟正弦基波信号输出至上述的运算放大器16。

运算放大器16接收数模转换器15发送来的模拟正弦基波信号，对该模拟正弦基波信号进行放大，并将放大后的正弦基波信号至上述的SPWM波合成电路3。

如图3所示，上述的三角波生成电路2包括：晶体振荡器21及积分电路22，具体地，该晶体振荡器21生成并输出一时钟方波信号，积分电路22接收由晶体振荡器21生成的时钟方波信号，并对该时钟方波信号进行积分处理，从而生成调制三角波，并将该调制三角波输出至上述的SPWM波合成电路3。

在一实施例中，该晶体振荡器21生成的时钟方波信号的频率可以是8kHz，但此数值仅是用以举例说明本发明实施例的技术内容，而并非用以限制本发明，时钟方波信号的频率可以根据实际应用中的需要进行调整。

如图1所示的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100中，上述的SPWM波合成电路3接收由三角波生成电路2生成的调制三角波，并接收由正弦基波生成电路1生成的放大后的正弦基波信号，从而生成上述的SPWM波信号。具体地，如图4所示，该SPWM波合成电路3主要包括：比较器31及SPWM波合成模块32，比较器31接收上述的调制三角波及放大后的正弦基波信号，以确定该调制三角波及放大后的正弦基波信号的交点；SPWM波合成模块32则根据比较器31确定的交点合成并输出SPWM波信号。

在一实施例中，如图2A至图2C所示，本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100还可包括另一个倍频锁相器18，该倍频锁相器18连接于上述的倍频锁相器12及计数器13之间，该倍频锁相器18接收由倍频锁相器12发送的正弦基波信号，并调整该正弦基波信号的波形的分辨率(该分辨率可以例如是12位，即设置一秒内输出12次该正弦基波信号；或者分辨率可以是8位，即设置一秒内输出8次该正弦基波信号；或者分辨率也可根据实际需要设置为其他的数值，本发明并不以此为限)，生成调整后正弦基波信号，并将该调整后正弦基波信号输出至上述的计数器13。

该计数器13接收倍频锁相器18输出的调整后正弦基波信号，并且，计数器13也接收上述的GPS秒脉冲信号，该GPS秒脉冲信号用以复位该计数器13，从而使该计数器13输出零相位点与该GPS秒脉冲信号同步的上述同步正弦基波信号。

通过本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，能够生成与GPS秒脉冲信号同频同相的正弦基波信号，并结合调制三角波生成SPWM波信号。该SPWM波信号可以用以驱动高压输出电路中的电源信号根据GPS秒脉冲信号进行同步调整，可以在不加入导线的情况下，实现电源输出信号的同步传输，并且可减少导线的功率损耗。

本发明实施例还提供一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，如图5A所示，该基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200主要包括：输入电源201、整流滤波电路202、三相整流桥203、全桥逆变电路204、高压输出电路205、驱动电路206，以及上文所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100等。

以下将该基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200分为电源输入端及驱动信号端进行具体描述。其中，电源输入端包括上述的输入电源201、整流滤波电路202、三相整流桥203、全桥逆变电路204及高压输出电路205，该驱动信号端包括上述的驱动电路206及基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100。

在基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的电源输入端中，整流滤波电路202接收上述的输入电源201输出的一输出信号，将该输出信号进行滤波后输出至上述的三相整流桥203。三相整流桥203将滤波后的输出信号进行整流后生成直流信号，并将该直流信号输出至上述的全桥逆变电路204。

在基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的驱动信号端中，驱动信号端输出的驱动信号即为上述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100输出的SPWM波信号。该基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100的输出端(即上述的SPWM波合成电路3的输出端)与基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200中的驱动电路206连接，并向该驱动电路206传输上述的SPWM波信号。驱动电路206将该SPWM波信号放大后输出至电源输入端中的全桥逆变电路204。其中，该基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100的具体结构在上文中已经做出了详细的描述，在此不再赘述。

电源输入端中的全桥逆变电路204接收上述的放大后的SPWM波信号，该放大后的SPWM波信号驱动全桥逆变电路204对输入至全桥逆变电路204的直流信号进行逆变，生成电压脉冲序列。具体地，放大后的SPWM波信号驱动该全桥逆变电路204中的H桥上的IGBT的通断，从而对三相整流桥203传输的直流信号进行逆变，生成幅度相等、宽度按正弦规律变化的电压脉冲序列。并且，进一步地，通过改变该SPWM波信号的宽度可使基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的输出电源的输出幅度在一个范围区间内(例如是0～500V之间)变化。

上述的全桥逆变电路204将输出的电压脉冲序列传输至与其相连接的高压输出电路205，该高压输出电路205接收到该电压脉冲序列，并对该电压脉冲序列进行滤波及放大处理后，输出单相电源信号。该单相电源信号与基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路100中倍频锁相器12及倍频锁相器18接收的GPS秒脉冲信号的零相位点同步。由此，便实现了基于GPS秒脉冲信号对电源输出信号的同步传输。

具体实施时，如图5C所示，上述的高压输出电路205可包括：变频变压器2051、滤波电容2052及高压变压器2053。

上述的变频变压器2051及滤波电容2052接收到全桥逆变电路204输出的电压脉冲序列后，对该电压脉冲序列进行滤波，从而生成正弦单相电源信号，并将该正弦单相电源信号输出至该高压变压器2053。高压变压器2053接收该正弦单相电源信号，对正弦单相电源信号进行放大(例如可放大11倍)，生成并输出上述的单相电源信号。

在一实施例中，本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200还包括有：输入控制交流接触器207，如图5B及图5C所示，该输入控制交流接触器207连接于整流滤波电路202及三相整流桥203之间。该输入控制交流接触器207的作用是，当整流滤波电路202输出的滤波后输出信号大于一阈值时，该输入控制交流接触器207导通，将该滤波后输出信号传输至三相整流桥203。

在一实施例中，本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200还包括有：输入空气开关208，如图5B及图5C所示，该输入空气开关208连接在输入电源201及整流滤波电路202之间，当输入电源201的输出信号超过一额定值时，该输入空气开关208断开，从而对基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200中可能发生的短路、严重过载及欠电压等现象进行保护，提高该基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的运行的安全性。

实际应用中，本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200还可包括一输入软启动电路(图中未示出)，设置于该基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200的电源输入端。在该输入软启动电路中，设置有充放电电容，通过该充放电电容将该电源输入端的电压缓慢地升至电压幅值，以避免由于电源输入端在短时间内的输入电压骤增导致电路烧坏，以保障系统运行的安全性与稳定性。

在一较佳实施例中，本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200中还包含一PID控制电路(图中未示出)，该PID控制电路是负反馈电路，用于接收上述高压输出电路205输出的单相电源信号，测量并获取该单相电源信号的反馈信息，使基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统200能够根据该反馈信息调整其电源输入端输出的电压，以保证整个系统处于恒流恒压的运行状态，从而保证整个系统运行的稳定性。

综上所述，通过本发明实施例的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，能够生成与GPS秒脉冲信号同频同相的正弦基波信号，并结合调制三角波生成SPWM波信号。该SPWM波信号驱动基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统中的电源输出信号根据GPS秒脉冲信号进行同步调整，可以在不加入导线的情况下，实现电源输出信号的同步传输，并且可减少导线的功率损耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述电路包括：正弦基波生成电路、三角波生成电路及SPWM波合成电路，其中，

所述的正弦基波生成电路包括：定时计数器、第一倍频锁相器、第一计数器、数模转换器及运算放大器，

所述定时计数器的输入端接收一时钟分频信号，将所述时钟分频信号进行计数后发送给所述的第一倍频锁相器；

所述的第一倍频锁相器接收一GPS秒脉冲信号，根据所述时钟分频信号生成与所述GPS秒脉冲信号同频同相的正弦基波信号，并将所述正弦基波信号输出至所述的第一计数器；

所述的第一计数器接收所述正弦基波信号与所述GPS秒脉冲信号，输出零相位点与所述GPS秒脉冲信号同步的同步正弦基波信号；

所述同步正弦基波信号经过所述的数模转换器，生成模拟正弦基波信号，并输出至所述的运算放大器；

所述运算放大器接收所述模拟正弦基波信号，输出放大后的正弦基波信号至所述的SPWM波合成电路；

所述的三角波生成电路包括：晶体振荡器及积分电路；

所述晶体振荡器生成一时钟方波信号；

所述的积分电路接收所述时钟方波信号，并对所述时钟方波信号进行积分，生成并输出调制三角波；

所述的SPWM波合成电路包括：比较器及SPWM波合成模块，

所述的比较器接收所述的调制三角波及放大后的正弦基波信号，确定所述调制三角波及放大后的正弦基波信号的交点；

所述的SPWM波合成模块根据所述的交点合成SPWM波信号。

2.根据权利要求1所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路还包括：

分频器，所述分频器的输出端与所述的定时计数器连接，所述分频器的输入端接收一初始时钟信号，将所述初始时钟信号进行分频后生成所述的时钟分频信号，并输出至所述的定时计数器。

3.根据权利要求2所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述的初始时钟信号的频率为6.14Mhz。

4.根据权利要求1所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路还包括：

第二倍频锁相器，连接于所述第一倍频锁相器及所述第一计数器之间，所述第二倍频锁相器接收所述的正弦基波信号，调整所述正弦基波信号的分辨率，生成并输出调整后正弦基波信号；

所述的第一计数器接收所述调整后正弦基波信号及GPS秒脉冲信号，输出所述的同步正弦基波信号。

5.根据权利要求1所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述的正弦基波信号的频率为400Hz。

6.根据权利要求1所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其特征在于，所述的时钟方波信号的频率为8kHz。

7.一种基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，其特征在于，所述的系统包括：

输入电源、整流滤波电路、三相整流桥、全桥逆变电路、高压输出电路、驱动电路及如权利要求1至6中任一权利要求所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路，其中，

所述的输入电源、整流滤波电路、三相整流桥、全桥逆变电路及高压输出电路依次连接，所述驱动电路的一端与所述基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路连接，另一端与所述的全桥逆变电路连接；

所述整流滤波电路接收所述输入电源的第一输出信号，将所述第一输出信号滤波后生成滤波后输出信号，并将所述的滤波后输出信号传输至所述的三相整流桥；

所述三相整流桥将所述滤波后输出信号进行整流后生成直流信号，并将所述直流信号输出至所述的全桥逆变电路；

所述基于GPS秒脉冲同步电源输出的电路输出所述SPWM波信号至所述的驱动电路，所述驱动电路放大所述的SPWM波信号，并通过放大后的SPWM波信号驱动所述全桥逆变电路将所述直流信号转变为电压脉冲序列；

所述全桥逆变电路输出所述电压脉冲序列至所述的高压输出电路；

所述的高压输出电路接收所述电压脉冲序列，并输出单相电源信号。

8.根据权利要求7所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，其特征在于，所述的高压输出电路包括：变频变压器、滤波电容及高压变压器，

所述变频变压器及滤波电容接收所述的电压脉冲序列，生成正弦单相电源信号，并输出至所述的高压变压器；

所述的高压变压器接收所述的正弦单相电源信号，将所述正弦单相电源信号放大后，生成并输出所述单相电源信号。

9.根据权利要求7所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

输入控制交流接触器，所述的输入控制交流接触器连接于所述整流滤波电路及三相整流桥之间，当所述滤波后输出信号大于一阈值时，所述输入控制交流接触器导通，将所述滤波后输出信号传输至所述的三相整流桥。

10.根据权利要求9所述的基于GPS秒脉冲同步电源输出的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

输入空气开关，所述的输入空气开关连接在所述的输入电源及整流滤波电路之间，当所述第一输出信号超过一额定值时，所述的输入空气开关断开。