CN104597507A - 一种管线探测仪的低频发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管线探测仪的低频发射电路，包括依次连接的信号驱动电路、保护电路、功率放大电路、阻抗匹配电路以及发射射频信号的发射天线；信号驱动电路将输入信号进行驱动，增大所述输入信号的功率；保护电路隔离所述信号驱动电路的输出信号中的直流分量；功率放大电路包括第一变压器、H桥电路，所述保护电路、所述第一变压器、所述H桥电路依次连接；所述功率放大电路通过所述第一变压器驱动所述H桥电路实现正负信号的驱动；阻抗匹配电路用于实现所述H桥电路与所述发射天线之间的阻抗匹配。本发明通过变压器耦合来驱动H桥电路，靠变压器的自我耦合控制时序，降低了设计难度，另外通过多级功率放大提高了低频信号的传输距离。

Description

一种管线探测仪的低频发射电路

【技术领域】

本发明涉及低频电路技术领域，特别涉及一种管线探测仪的低频发射电路。

【背景技术】

发射系统中都会用到H桥驱动电路，现有的H桥驱动电路多采用驱动芯片或光电二极管驱动MOS管的形式，但这种形式的驱动方式对时序要求很高，在设计电路时必须严格控制时序，否则会造成H桥上MOS管不能完全导通，增加功耗，MOS管发热，严重时会烧毁MOS管。另外时序错乱还有可能使H桥的MOS管误导通而造成短路。但是实际的模拟电路器件的内部会有寄生电容、电感，因此设计者在设计时很难具体估计各部分的时序，从而增加了设计难度。另外低频信号具有极佳的穿透能力，可以穿透诸如水、水泥、塑料等一些非磁性材料，但其传输距离极短，要想提高低频信号的传输距离，就必须提高发射系统中功率放大电路的效率。

【发明内容】

基于此，本发明提供管线探测仪的低频发射电路，通过变压器耦合来驱动H桥电路，靠变压器自我耦合控制低频发射系统的时序，降低了设计难度，另外通过多级功率放大提高了低频信号的传输距离。

本发明实施例的内容如下：

一种管线探测仪的低频发射电路，包括依次连接的信号驱动电路、保护电路、功率放大电路、发射射频信号的发射天线以及阻抗匹配电路；

所述信号驱动电路接收输入信号并增大所述输入信号的功率；

所述保护电路隔离所述信号驱动电路的输出信号中的直流分量；

所述功率放大电路包括第一变压器、H桥电路，所述保护电路、所述第一变压器、所述H桥电路依次连接；所述功率放大电路通过所述第一变压器驱动所述H桥电路对所述保护电路的输出信号进行驱动放大；

所述阻抗匹配电路对所述H桥电路与所述发射天线进行阻抗匹配。

较佳的，所述第一变压器为17CHO8C。

较佳的，所述阻抗匹配电路包括第二电压器。

在一种具体实施方式中，所述信号驱动电路包括与非门电路U1、非门电路U2、电容C1、C2、C3、C4，电感L1，二极管D1、D2；

非门电路U2的输入端与与非门电路U1的输出端连接，非门电路U2的输出端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、二极管D2的正极均接地；电感L1的一端外接电源，另一端分别于电容C3的一端、电容C4的一端、二极管D1的负极连接；电容C3的另一端、电容C4的另一端均接地。

进一步的，所述保护电路包括电阻R1、R2，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2，电容C5、C6、C7，电感L2；

电阻R1的一端与非门电路U2的输出端连接，电阻R1的另一端分别与NPN型三极管Q1的基极、PNP型三极管Q2的基极连接；NPN型三极管Q1的集电极、电容C5的一端、电容C6的一端均与二极管D1的负极连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端均接地；PNP型三极管Q2的发射极接地；NPN型三极管Q1的发射极与PNP型三极管Q2的集电极与电容C7的一端连接，电容C7的另一端分别与电阻R2、电感L2的一端连接，电阻R2、电感L2的另一端相互连接。

进一步的，所述H桥电路包括场效应管Q3、Q4、Q5、Q6；

场效应管Q3、Q4的漏极均与电感L1一端连接；场效应管Q3的栅极通过电阻R3与17CHO8C的引脚9连接，场效应管Q3的源极分别与场效应管Q5的漏极、17CHO8C的引脚10连接；场效应管Q4的源极与场效应管Q6的漏极连接，场效应管Q4的栅极通过电阻R5与17CHO8C的引脚6连接；场效应管Q5的栅极通过电阻R4与17CHO8C的引脚8连接；场效应管Q5、Q6的源极以及17CHO8C的引脚2、引脚4、引脚7均接地；场效应管Q6的栅极通过电阻R6与17CHO8C的引脚3连接。

本发明通过变压器耦合来驱动H桥电路，靠变压器的自我耦合控制时序，降低了驱动电路的设计难度，另外通过信号驱动电路1使输入信号获得更大能量；为了避免后级负载端发生变化影响电路，在信号驱动电路1与功率放大电路3之间加入保护电路2，增强了电路的稳性；还在功率放大电路3与发射天线5间加入阻抗匹配电路4，有效降低信号能量损失。基于以上有益效果，本发明的低频发射系统可应用在如管线探测仪等多种探测仪器。

【附图说明】

图1为本发明实施例一中管线探测仪的低频发射电路的结构示意图；

图2为本发明实施例二中管线探测仪的低频发射电路的电路原理图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的内容作进一步描述。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供一种管线探测仪的低频发射电路，包括依次连接的信号驱动电路1、保护电路2、功率放大电路3、阻抗匹配电路4以及发射射频信号的发射天线5。

其中，信号驱动电路1用于将输入信号进行驱动，增大输入信号的功率。低频发射系统的输入信号由FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)或单片机提供，由于从FPGA(或单片机)输出的载波与调制波信号电压较低(通常为3.3V)，电流也很小，无法带动后面的负载，且载波与调制波是分离的，所以通过信号驱动电路1将FPGA(或单片机)的输出信号进行驱动增大信号功率，使其可以带动后面的负载。

保护电路2用于隔离信号驱动电路1的输出信号中的直流分量，防止直流分量进入功率放大电路3，保护电路还可以防止较大脉冲信号对低频发射系统产生影响。

功率放大电路3通过场效应管(MOS管)的导通或截止来实现正负信号的驱动，保证产生足够的能量来驱动后面的电路。在本实施例一中，功率放大电路3包括第一变压器31、H桥电路32，保护电路2、第一变压器31、H桥电路32依次连接；功率放大电路3通过第一变压器31驱动H桥电路32。通过第一变压器31的自我耦合控制时序，从而降低了低频发射系统的设计难度。通过第一变压器31耦合驱动H桥电路32具有如下优点：

(1)开通和关断延时时间非常短，可以在很高的压差下工作；

(2)同一变压器从初级线圈输入的信号感应到不同的次级线圈所用时间是相同的，导通正信号与导通负信号在时序上不会错乱，不会因为设计者没有精确计算电路各个部分的延时，而导致在导通正信号时负信号还未关断，造成短路损坏器件；

(3)通过变压器驱动H桥电路的方式可以实现隔离，由于通过变压器初级线圈与次级线圈来耦合信号，前级电路与后级电路无直接相连，从而成功实现隔离，避免前后电路之间产生干扰。

在理想情况下，变压器不储存能量，但实际上变压器还是在线圈和磁芯的的磁场区域储存了少量能量，这种能量表现为漏感与磁化电感，MOS管驱动变压器的平均功率很小，但在开通和关闭时传递较高的能量，因此为了减少延时而保持较低漏感是必然的。所以本实施例一中的第一变压器31应选用漏感较低的变压器。另外，根据法拉第电磁感应定律，变压器绕组的平均功率必须为零，很小的直流分量都可能会使变压器因剩磁最终导致磁饱和，所以本实施例一中的第一变压器31还要选用磁通量、磁容量大的变压器。基于以上两个原因，较佳的，本实施例一中的第一变压器31采用17CHO8C。17CHO8C为定制变压器，采用外径22毫米、内经14毫米的高效镍锌铁氧体磁环，为保证同名端一致且漏感最小，17CHO8C的5个绕组同时用5线按1：1：1：1：1的比例均匀并饶。17CHO8C的工作频率为500HZ～5000KHZ，效率为63％，变压器容量为3.15VA。

阻抗匹配电路4用于实现H桥电路32与发射天线5之间的阻抗匹配。较佳的，本实施例一中采用第二变压器实现H桥电路32与发射天线5之间的阻抗匹配，如果阻抗不匹配会使一部分能量无法传输到发射天线5，从而造成能量损失。

综合以上内容，本实施例一中的管线探测仪的低频发射电路通过信号驱动电路1使输入信号获得更大能量；为了避免后级负载端发生变化影响电路，在信号驱动电路1与功率放大电路3之间加入保护电路2，增强了电路的稳性；功率放大电路3采用变压器驱动MOS管的方式实现，降低了低频发射系统设计时对于时序的要求；还在功率放大电路3与发射天线5间加入阻抗匹配电路4，有效降低信号能量损失。

实施例二

本实施例二结合一个具体的电路原理图来详细描述本发明的方案。

如图2所示，信号驱动电路1包括与非门电路U1、非门电路U2、电容C1、C2、C3、C4，电感L1，二极管D1、D2。

非门电路U2的输入端与与非门电路U1的输出端连接，非门电路U2的输出端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、二极管D2的正极均接地；电感L1的一端外接电源，另一端分别于电容C3的一端、电容C4的一端、二极管D1的负极连接；电容C3的另一端、电容C4的另一端均接地。

保护电路2包括电阻R1、R2，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2，电容C5、C6、C7，电感L2。

电阻R1的一端与非门电路U2的输出端连接，电阻R1的另一端分别与NPN型三极管Q1的基极、PNP型三极管Q2的基极连接；NPN型三极管Q1的集电极、电容C5的一端、电容C6的一端均与二极管D1的负极连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端均接地；PNP型三极管Q2的发射极接地；NPN型三极管Q1的发射极与PNP型三极管Q2的集电极与电容C7的一端连接，电容C7的另一端分别与电阻R2、电感L2的一端连接，电阻R2、电感L2的另一端相互连接。

第一变压器31为17CHO8C，其工作频率为500HZ～5000KHZ，效率为63％，变压器容量为3.15VA。

H桥电路32包括场效应管Q3、Q4、Q5、Q6。

场效应管Q3、Q4的漏极均与电感L1一端连接；场效应管Q3的栅极通过电阻R3与17CHO8C的引脚9连接，场效应管Q3的源极分别与场效应管Q5的漏极、17CHO8C的引脚10连接；场效应管Q4的源极与场效应管Q6的漏极连接，场效应管Q4的栅极通过电阻R5与17CHO8C的引脚6连接；场效应管Q5的栅极通过电阻R4与17CHO8C的引脚8连接；场效应管Q5、Q6的源极以及17CHO8C的引脚2、引脚4、引脚7均接地；场效应管Q6的栅极通过电阻R6与17CHO8C的引脚3连接。

阻抗匹配电路4为第二变压器。该第二变压器为双端变压器，第二变压器的一个输入端与场效应管Q4的源极连接，另一个输入端与场效应管Q3的源极连接。第二变压器的一个输出端与发射天线5连接，另一个输出端接地。

从图2中可以看出，信号驱动电路可将从FPGA(或单片机)输出的载波与调制波信号进行驱动，增大信号功率，使其可以带动后面的负载。

保护电路2可以有效隔离直流分量，防止直流分量进入功率放大电路3，同时还可防止大的脉冲信号对电路产生影响。

功率放大电路3中，由4个MOS管组成H桥电路，通过MOS管的导通或截止来实现正负信号的驱动，保证产生足够的能量来驱动后面的电路。通过变压器17CHO8C耦合来驱动H桥电路，靠变压器17CHO8C的自我耦合控制时序，从而降低了驱动电路的设计难度。同一变压器从初级线圈输入的信号感应到不同的次级线圈所用时间是相同的，如图2中17CHO8C的引脚1输入的信号感应到引脚3和引脚5所用的时间相同，导通正信号与导通负信号在时序上不会错乱，不会因为设计者没有精确计算电路各个部分的延时，而导致在导通正信号时负信号还未关断，造成短路损坏器件。

在功率放大电路3的输出端(即H桥电路32的输出端)与发射天线5之间加入第二变压器，可实现两者的阻抗匹配，避免能量损失。发射天线5将前端输出的射频信号以电磁波的形式辐射出去，从而使低频信号传输的更远。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，包括依次连接的信号驱动电路、保护电路、功率放大电路、发射射频信号的发射天线以及阻抗匹配电路；

所述信号驱动电路接收输入信号并增大所述输入信号的功率；

所述保护电路隔离所述信号驱动电路的输出信号中的直流分量；

所述功率放大电路包括第一变压器、H桥电路，所述保护电路、所述第一变压器、所述H桥电路依次连接；所述功率放大电路通过所述第一变压器驱动所述H桥电路对所述保护电路的输出信号进行驱动放大；

所述阻抗匹配电路对所述H桥电路与所述发射天线进行阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，所述第一变压器为17CHO8C。

3.根据权利要求1或2所述的管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括第二电压器。

4.根据权利要求2所述的管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，所述信号驱动电路包括与非门电路U1、非门电路U2、电容C1、C2、C3、C4，电感L1，二极管D1、D2；

非门电路U2的输入端与与非门电路U1的输出端连接，非门电路U2的输出端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、二极管D2的正极均接地；电感L1的一端外接电源，另一端分别于电容C3的一端、电容C4的一端、二极管D1的负极连接；电容C3的另一端、电容C4的另一端均接地。

5.根据权利要求4所述的管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，所述保护电路包括电阻R1、R2，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2，电容C5、C6、C7，电感L2；

电阻R1的一端与非门电路U2的输出端连接，电阻R1的另一端分别与NPN型三极管Q1的基极、PNP型三极管Q2的基极连接；NPN型三极管Q1的集电极、电容C5的一端、电容C6的一端均与二极管D1的负极连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端均接地；PNP型三极管Q2的发射极接地；NPN型三极管Q1的发射极与PNP型三极管Q2的集电极极与电容C7的一端连接，电容C7的另一端分别与电阻R2、电感L2的一端连接，电阻R2、电感L2的另一端相互连接。

6.根据权利要求5所述的管线探测仪的低频发射电路，其特征在于，所述H桥电路包括场效应管Q3、Q4、Q5、Q6；

场效应管Q3、Q4的漏极均与电感L1一端连接；场效应管Q3的栅极通过电阻R3与17CHO8C的引脚9连接，场效应管Q3的源极分别与场效应管Q5的漏极、17CHO8C的引脚10连接；场效应管Q4的源极与场效应管Q6的漏极连接，场效应管Q4的栅极通过电阻R5与17CHO8C的引脚6连接；场效应管Q5的栅极通过电阻R4与17CHO8C的引脚8连接；场效应管Q5、Q6的源极以及17CHO8C的引脚2、引脚4、引脚7均接地；场效应管Q6的栅极通过电阻R6与17CHO8C的引脚3连接。