一种基于NIOS的双极性相控高压脉冲信号源设计

郝宪锋， 成向阳， 贾 朋

(中国石油大学 a.信息与控制工程学院； b.非常规油气与新能源研究院；c.机电工程学院,山东 青岛 266580)

一种基于NIOS的双极性相控高压脉冲信号源设计

郝宪锋a， 成向阳b， 贾 朋c

(中国石油大学 a.信息与控制工程学院； b.非常规油气与新能源研究院；c.机电工程学院,山东 青岛 266580)

通过分析相控声波测井技术对高压激励信号源的需求，提出了一种基于NIOS的双极性相控高压脉冲信号源设计方案。选用具备NIOS处理器的FPGA芯片作为控制器，提高了系统逻辑处理的灵活性，降低了外围电路的复杂程度。利用高压储能电容作为储能元件，结合电阻分压电路和AD采样芯片构成闭环幅度控制回路，保证了脉冲幅度的准确性。利用浮地驱动芯片和高速MOSFET构成脉冲驱动及转换电路，实现了脉冲信号的双极性转换及功率放大。利用最小二乘法对输出脉冲进行幅度和脉宽修正，提高了脉冲幅度和宽度的精度。实验结果表明：该脉冲信号源可产生幅度范围在-300～300 V，脉冲宽度范围在200 ns～10 ms的双极性高压方波脉冲，且脉冲幅度、脉冲宽度、发射频率、通道延时等参数均可灵活调节，为声波相控测井技术的应用提供了必要的硬件支持。

高压脉冲; 双极性转换; 相控; 浮地驱动; 幅度修正

0 引 言

近年来，随着电子、信息处理技术和计算机技术的迅猛发展，声波测井技术得到了飞速发展，相关的测井仪器也不断更新换代。新一代的测井仪器将朝着阵列化和相控方向发展。以井下声波的定向辐射和定向接收为最主要特征的相控声波测井技术成为研究热点，它也为研究井下声波成像测井技术奠定了基础[1-3]。

在相控声波技术中，通过选择相控线阵换能器阵元个数、激励顺序、激励间隔、激励强度和声源频率等参数，可以实现幅度声束偏转和声束主瓣角宽度的控制，使得辐射的声波具有指向性。不同的辐射声场强度，有助于增大探测深度、提高测量信号的信噪比，提高测量分辨率。相控阵声波换能器通常有十几片或上百片，尽管一次只需要激励换能器阵列中的一部分单元，但有些情况下也需要几十个通道同时激励，为了实现有效的相控激励，要求脉冲信号源的输出幅度、脉宽、频率、通道间延时时间和通道发射顺序均可精准调节。常规的高压脉冲实现方式是通过脉冲变压器实现的，当输出通道较多时，电路变得非常庞大和复杂，不容易实现。而且脉冲的宽度和波形主要受激励变压器次级参数和发射换能器自身参数的控制，不能实现精准的脉冲宽度和前后沿控制[4-7]。

本文结合相控声波测井技术对高压激励信号源的需求，研制了一台基于电容充放电控制和NIOS内核的双极性相控高压脉冲信号源。

1 系统设计概述

1.1 设计指标

系统设计的核心是产生双极性多参数可变的高压脉冲，基本原理是精确控制电容充电储能和放电激励。脉冲电源的设计满足以下设计要求：

(1) 脉冲宽度可调，输出范围200 ns～10 ms。

(2) 脉冲幅度可调，输出范围-300～300 V。

(3) 激励频率可调，调节范围0.5～5 s。

(4) 通道间延时可调，延时范围0～10 ms，步长20 ns。

(5) 通道发射顺序可任意组合调节，各通道均具有发射使能控制。

(6) 脉冲前后沿陡峭，上升和下降时间<100 ns。

(7) 触发方式可选，分为内出发和外触发。

(8) 具有良好的人机界面，便于操作。

1.2 系统组成

系统组成如图1所示，主要包括上位机控制软件、基于NIOS软核的FPGA控制器、高压直流电源、充放电控制单元、电能储能单元、电压采样分压单元、高压开关前级驱动单元和高压开关切换单元。

图1 系统结构框图

上位机采用VC6.0编写，用户通过上位机可直观地设置各通道参数。通过串口下发参数及控制命令，实现了良好的人际交互。另外，用户可将常用设置保存为配置文件，下次操作时可直接调用。系统控制器选用了ALTERA公司的EP3C25Q240C8,该芯片是具有NIOS内核的FPGA芯片，便于实现各通道间严格的时序控制和复杂的逻辑控制，而且能简化整个系统外围电路设计工作量，提高系统的可靠性[8-9]。高压直流电源选用开关型直流电源，为系统提供高压直流电压。控制器利用充放电控制单元和电压分压采集单元构成闭环控制回路，实时检测电容储能单元电容电压幅度，当电压达到预设值时，停止对电容充电，每次发射结束后，通过放电回路将电容上多余的电荷释放掉。前级驱动单元和高压开关切换单元实现了高压脉冲信号的功率放大和双极性转换。另外，脉冲信号源上位机和下位机之间采用串口方式通信，由于信号源输出通道多，而且每个通道包括幅度、脉宽、延时时间等多个参数，数据量较大，设计中制定了专用的串口通信协议，实现了数据和命令的高效传输。

1.3 工作过程

用户利用上位机软件，设置各通道相关参数，然后通过串口将数据和命令下传送至基于NIOS内核的控制器，控制器利用外触发信号或内触发定时模式启动信号源工作，同时为采集系统提供同步信号。控制器对接收到的串口数据进行解析，根据所解析命令设置FPGA寄存器、定时器参数，然后根据严格的预设逻辑顺序输出脉冲信号。该信号经过前级驱动单元，完成了幅度抬升和悬浮隔离驱动。再经过高压开关切换及驱动单元，实现了脉冲换向及功率放大。

2 关键技术设计

2.1 双极性转换电路

双极性转换电路的原理图如图2所示，HV为高压直流电源，Q1、Q2、Q3、Q4为高速MOSFET，起到开关作用，T1是换能器负载。4个MOSFET构成了桥式脉冲换向控制单元的核心，换能器接到桥路的两个中间点，通过改变MOSFET的导通顺序即可在换能器上得到不同极性的激励脉冲[10-12]。与地相连的两个开关Q2和Q4定义为低位开关，与高压直流电源相连的两个开关定义为高位开关，换能器定义为上正下负，正向激励过程可描述如下：①初始状态下，低位开关Q2和Q4一直接通。②断开低位开关Q4，经过短暂的延时后打开高位开关Q1，电流由Q1流向Q2，换能器开始正向充电，得到正向脉冲前沿。③预设脉冲宽度时刻到来时，断开高位开关Q1，经过短暂的延时后接通低位开关Q4，形成正向脉冲的后沿。

图2 双极性高压脉冲产生原理图

负向激励过程可描述如下：①初始状态下，低位开关Q2和Q4一直接通。②断开低位开关Q2，经过短暂的延时后打开高位开关Q3，电流由Q3流向Q4，换能器开始正向充电，得到负向脉冲前沿。③预设脉冲宽度时刻到来时，断开高位开关Q3，经过短暂的延时后接通低位开关Q2，形成负向脉冲的后沿。开关切换过程均在FPGA的严格时序约束下完成，从而保证了MOSFET的安全性。一旦出现Q1、Q4或者Q2、Q3同时导通的情况，将造成相应回路电流剧增，烧毁MOSFET。

2.2 浮地驱动单元设计

如图2所示，利用高压开关Q1～Q4实现了双极性高压脉冲转换输出，但需要对高位开关Q1和Q3进行隔离驱动。为了解决这一问题，选用了美国IR公司生产的一款具有高压悬浮驱动能力的芯片IR2110S，该芯片兼具了光耦体积小和电磁隔离速度快的优点，并且具有独立的低端和高端输入通道。其悬浮电源采用自举电路，高端电压可达500 V。其工作频率可达500 kHz，开通时间为120 ns，关断时间为94 ns，满足设计需求[13]。

浮地驱动电路原理图如图3所示，采用两片IR2110S、4只高速MOSFET及部分外围电路，组成了双极性浮地驱动电路。S1～S4是来自控制器的逻辑控制信号，高电平期间分别控制Q1～Q4导通。DGND为数字地，3.3 V为数字电源。R1～R4为IR2110S输入限流电阻，当后级电路出现故障时，防止因电流过大烧毁控制器I/O端口。IR2110S通过外置二极管D1和电容C1完成电压自举，12 V为模拟电压，AGND为模拟地，ISOG1、ISOG2为隔离地，H1～H4是经过电压抬升的控制信号，HV是来自储能电容的可调高压电源，Q1～Q4是高压快速型MOSFET。R11、R22、R33、R44分别是Q1、Q2、Q3、Q4的栅极限流电阻，其电阻值选取要根据实际情况作调整，电阻值过小将增大IR2110S输出电流，其输出端波形容易产生震荡；电阻值过大将延长MOSFET开通时间，不利于窄脉冲的产生[14-15]。

图3 浮地驱动电路原理图

假定在发射信号S1低电平之前，C1已经充满电，当S1变为高电平时，H1输出高电平，此时电容C1可以等效为一个电压源，经由内部MOSFET、Q1栅极和源极构成放电回路，使得Q1导通，高电压HV经Q1输出至换能器上端。S1变高电平的同时，S2也变为高电平，使得H2输出高电平，MOSFET Q2导通，此时12V模拟电压经过二极管D2、C2及Q2构成回路，为C2充电。此时由于MOSFET Q1和Q2导通，换能器上得到上正下负的电压，获得高压正向激励脉冲，此时换能器进入短暂的正向发射周期。由于发射逻辑信号S1～S4是高低交替变化的，故C1和C2将在不断的充电、放电中完成自举，从而实现双极性脉冲的交替发射。自举悬浮驱动功能减少了隔离电源的使用，简化了电路的设计。

2.3 脉冲幅度和宽度修正

脉冲幅度设计中，采用电阻分压网络对输出电压进行分压，然后由控制器对其进行AD采样，并与幅度设定值进行比较，从而实现幅度闭环控制。然而，由于元器件误差、AD采样误差等原因，实际输出幅度存在较大误差，尤其是在幅度较小时，误差较大。因此需对脉冲幅度进行修正，以提高其精度。利用最小二乘法对各通道所测多组数据进行一次直线拟合[16]。首先设置多组脉冲幅度数据，然后利用示波器依次测量输出脉冲幅度，并作记录。为了描述方便，将预设脉冲幅度记作U，将示波器所测脉冲宽度记作U′。并把U′看成是U的一次线性函数，A和B为常数，设所求的直线方程为

(1)

由定拟合直线的最小二乘法知，拟合直线的斜率和截距分别为：

(2)

(3)

把实验数据U和U′代入式(2)、(3),求出A、B，便得到了直线的拟合方程：

(4)

表1 脉冲幅度数据表

脉冲宽度设计中，利用FPGA对分频后的系统时钟进行计数，产生预设脉宽信号，该信号精度高。然而经过多级驱动电路传递，输出高压信号的脉冲宽度受到器件性能(MOSFET和IR2110S都有开通和关断时间，而且不同器件有差异)、电路板走线造成时间延时等多种因素的影响，其实际输出与预设脉冲宽度存在一定误差，尤其是输出窄脉冲时，误差更大。为了提高输出信号脉宽的精度，同样利用最小二乘法对各通道进行修正，得到了更高精度的输出，方法与脉冲宽度校准相同。

3 实验结果

高压脉冲信号源研制完成后，以压电陶瓷晶体声波测井换能器作为负载，进行性能测试，利用数字存储示波器采集了多组输出波形。波形采集分为带负载和不带负载两种情形，之后对实验结果进行分析。另外，根据各通道实际波形输出情况，进行了通道延时修正。

正向、负向宽脉冲输出波形如图4所示，其输出幅值均为300 V，脉冲宽度20 ms。由图可见，正负脉冲边沿陡峭，脉宽和幅度精确。系统采用了储能电容冲放电方式产生脉冲的设计方案，在输出脉宽较宽、幅度较大的脉冲时，伴随电容放电，电压会有小幅度降低，高电平期间幅度有轻微衰减。但是幅度下降很小，基本不影响换能器等负载激励效果。

(a) 正向

(b) 负向

图4 正向、负向宽脉冲波形(幅度：300 V, 脉宽：20 ms)

功率放大级所选前级驱动芯片及开关管导通和关断都需要一定时间，另外，在输出大幅度、窄脉冲时，声波测井换能器负载对输出波形的影响也较为明显。输出脉冲过窄时，幅度下降明显，而且波形边沿易发生畸变。因此，信号源输出脉冲宽度有最小限制，实际测试结果表明，在保证300 V幅度前提下，信号源能输出的最小脉宽为200 ns。图5所示为无换能器(a)和有换能器(b)负载条件下的输出波形，由图6(b)可见，有负载情况下，波形顶端有小幅震荡，脉冲上升和下降时间约为50 ns，边沿清晰，无明显畸变，满足应用需求。

(a) 换向器

(b) 有换向器

图6 无换向器和有负载情况下正向窄脉冲波形

由于各通道元器件参数之间存在差异，因此，即使同时触发，各通道实际输出的高压脉冲之间也存在一定时间差。图7所示为校正前、后两个通道的实测波形，由图7(a)可见，通道间时差实测值在20 ns左右。

(a) 校正前

(b) 校正后

图7 校准前、后通道1和通道2输出波形

为消除这一差值，在通道1中加入20 ns的发射延时进行修正。修正后的结果见图7(b)，可以看出，两通道之间基本消除了时间差，获得了更好的通道一致性。

4 结 语

多通道高压脉冲信号源具有多通道、双极性、通道间延时可调和相控触发等特点，满足换能器阵列有序激励的需求，已经成功应用到了相控声波测井实验中，得到了良好的使用效果。但是还存在以下几点需要做进一步改进和完善：

(1) 脉冲幅度只能做到300 V，可以选用更高电压的开关电源和更高耐压的器件，进一步提高输出脉冲的幅度。

(2) 由于采用电容充放电方式得到高压脉冲信号，电容充放电需要一定时间，故脉冲的输出频率受到了限制，可以考虑增大充放电电流或者采用其他方案以进一步提高脉冲输出频率。

(3) 选用更快速的隔离驱动芯片和功率开关器件，得到脉冲宽度更窄、负载适应性更好的高压脉冲。

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One Type of High Voltage Bipolar and Phase-Controlled Square Pulser Based on NIOS

HAOXianfenga,CHENXiangyangb,JIAPengc

(a. School of Information and Control Engineering, b. Research Institute of Unconventional Oil and Gas and New Energy, c. School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Based on the analysis of the requirement of the high voltage signal source, a design scheme of bipolar phase-controlled high voltage pulse signal source based on NIOS is proposed. The FPGA chip with NIOS processor is used as the controller, it improves the flexibility of the system logic processing and reduces the complexity of the peripheral circuit. The high voltage energy storage capacitor is used as the energy storage element. With the resistance voltage dividing circuit and a kind of AD sampling chip, a closed loop amplitude control loop is formed. By using the floating driving chip and the high speed MOSFET, the pulse drive and conversion circuit are formed, and the bipolar conversion and power amplification of the pulse signal are realized. By using the least square method, the amplitude and pulse width of the output pulse are corrected, and the precision of the pulse amplitude and width is increased. Experimental results show that the pulse signal source amplitude range is flexible in the -300—300 V, bipolar pulse width in 200 ns—10 ms. Pulse amplitude, pulse width, transmission frequency, channel delay and other parameters can be adjusted flexibly. It provides the necessary hardware support for the application of sonic logging technology.

high voltage pulse; bipolar conversion; phase-controlled; levitation drive; amplitude correction

2016-05-23

国家自然科学基金青年基金项目(51404289)

郝宪锋(1980-)，男，山东东营人，硕士，工程师，主要从事智能仪器仪表研究与开发。

Tel.：18678460769; E-mail：haoxf@upc.edu.cn

TN 782

A

1006-7167(2017)02-0062-05