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而电磁法作为一种地球物理探测的有效方法，已经广泛地应用于矿藏勘探、地质灾害预测等领域。电磁法仪一般包括发射机和接收机两大部分。现阶段，电磁法仪器的发射机部分一般直接采用等宽PWM技术，其电流谐波畸变率较大，电压利用率不高，效率很低。
本文利用FPGA技术，根据SPWM自然采样法原理，设计了应用于电磁法仪的发射机的SPWM系统。该系统应用到现有的电磁法仪器中，与原来的PWM产生的效果进行比较，得到良好的效果。 1 SPWM技术原理 SPWM信号的原理为：用一组等腰三角形波与一个正弦波比较，其交点作为开关管“开”或“关”的时刻。产生SPWM信号有多种方法，如谐波消去法、等面积法、采样法等。 利用正弦波和等腰三角形的交点时刻决定开关管的开关模式，这种方法称为自然采样法。其可以分为单极性三角波调制法和双极性三角波调制法，其原理图如图1所示。本文采用的是双极性调制法。 |
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2 SPWM系统的硬件实现
2.1 系统整体设计 系统原理如图2所示。系统先生成三角波信号和正弦波信号，通过两者输出的比较产生脉冲序列，并对输出的脉冲进行死区延时、数字滤波等处理。主要模块有：分频器、三角载波发生器、正弦函数表寻址、正弦函数表、死区时间延时模块和数字滤波模块等。 2.2三角载波发生器 本设计中通过加减计数器来产生载波三角波，三角波的幅值取256。先从0开始计数到256，再从256减数到0，得到半个周期的三角载波，然后重复前半周期的计数方式，对得到的计数值取负，这样就可以得到一个周期的三角载波。 图3是三角载波模块的仿真图。可通过设定triwave_fp的值来实现三角波的分频，当系统时钟为10 MHz时，图3(a)设triwave_fp为0，此时三角波周期为102.4 μs；图3(b)设triwave_tp为1，其周期变为204.8 μs。通过改变triwave_fp的取值，可以得到不同频率的载波。 2.3 正弦波发生器 本设计利用Matlab软件工具，把正半周期的正弦波512等分后，把数据存人ROM中。调用ROM中的数据，即可实现正半周期正弦波。再对正半周期取反，即可得到负半周期的值。本设计为了使得到的脉冲宽度可调，加上了正弦幅度相乘调节模块，其模块原理图如图4所示。 同样，可以控制模块分频单元，和调幅单元，改变正弦波的频率及幅度。 2.4 比较模块 三角载波和正弦参考波发生模块设计完成后，对其输出的结果进行比较以产生SPWM脉冲信号。可以通过Verilog硬件描述语言实现，比较规则设置为当载波的数值小于正弦波的函数值时，输出‘1’，否则输出‘0’。 2.5 死区时间延时模块 比较模块后，得到两路SPWM序列信号(xl，xh)，用于控制电路的上下桥臂的开关。理论上，这两路信号是完全互补的。然而，由于功率器件开通和关断时间不完全相等，器件的关断时间实际上要长于导通时间。因此，为避免上下桥臂上功率器件瞬态短路必须提供一段时间的延时，使功率开关管导通之前确保相应的开关管已经截止。 脉冲延时是通过上升沿实现的，延时时间的实现主要通过一个10位的加减计数器来实现。设死区时间为max，延时计数器计数规则如下： (1)当输入为0时，若计数值等于0，则计数值保持不变；否则，作减1计数； (2)当输入为1时，若计数值等于max，则计数值保持不变；否则，作加1计数； (3)当输入为1且死区计数器数值为max时，xl=0，xh=1，上桥臂导通； (4)当输入为0且死区计数器数值为0时，xl=1，xh=0，下桥臂导通； (5)当死区计数器数值在0～max之间时，xl=0，xh=0，上下桥臂均截止，形成死区。 2.6 系统仿真 最后可以根据需要，设置时钟、分频、死区时间等的值。对设计进行仿真，设定三角波频率为正弦波频率的5倍，得到的仿真结果如图5所示。 观察图5的输出信号xh，xl，可以看出其脉宽是按正弦规律变化的，因此设计满足要求。 2.7滤波模块 由于数据采集过程中不可避免地存在许多干扰，有效信息被它们所掩盖，因此必须对资料进行提高信噪比的数字滤波处理。为了提高研发速度，滤波模块直接采用Altera公司的IP核来生成。 设置参数，设计一个带通频率为7.5～12.5 kHz的数字滤波器，采用Hanning窗设计结构，利用Matlab软件的数字滤波设计分析工具，可以得到频率衰减图如图6所示。可以看出其带通效果明显，符合系统要求。 3系统的应用 把设计的SPWM系统应用于某公司设计的电磁法仪上，其主要原理就是利用专用设备向介质体发射一个电磁场，这种迅速衰减的磁场在其周围的介质中感应出新的二次场。利用其原理，该仪器设计了一道发射道和三道接收道。图7(a)是原仪器采用发射频率为9.8 kHz的PWM波发射得到的结果，前四道是滤波前的波形图，后四道是滤波后的波形图。控制本系统发射频率为9.8 kHz进行调试，把发射道和接收道的数据经过串口通讯上传到上位机上显示，波形如图7(b)所示。发射道经滤波后产生较理想的正弦波，产生的三道二次场，比较图7(a)可以看出其谐波畸变有明显的减弱。 |
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4 结 语
本文是设计了基于FPGA的SPWM可变频系统，最后把系统成功应用到电法仪的发射模块中。经验证，该系统稳定可靠，比原有的PWM控制有较大的改善。另外，系统可以根据需要在线修改发射频率、死区时间等的值，系统更人性化。系统稍加修改，还可应用到电机驱动或变频电源中。 |
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