基于DDS的变频精密脉冲型电源系统设计

在发送控制信号的同时把这个时间考虑进去，避免因为4个IGBT同时导通造成发射回路短路烧毁器件。本文设计了图2(c)所示的IPM模块死区时间的产生电路，利用电容的充放电来实现硬延时操作，产生IPM关断所需的死区时间。与传统的软件延时相比，具有操作简单、控制精确的特点。
1.3 发射单元及快速切换电路的实现
　 发射机发射单元的等效电路如图3所示，利用核磁共振的方法探测地下水时，发射和接收为同一线圈。当探测深度为100 m时，线圈中的电流可达400 A,电压可达3 000 V，而接收回来的NMR信号只有纳伏级，因此，发射和接收之间的开关必须快速切换。本文从稳定、安全的角度出发，设计了利用耐高压真空继电器,实现发射和接收的快速切换和隔离。当发射时，C1和L组成串联谐振回路，发射完成后，C1、C2、R、L组成放电回路，等待70 ms，线圈中的能量耗尽时，切换到接收回路，接收NMR信号。R为100 ?赘大功率电阻，发射完成后接入放电回路，用于快速释放线圈中的能量。C2在整个发射过程中具有重要的作用，并由L和C1组成串联谐振回路，在其谐振频率等于输入的方波频率时，电路发生谐振，此时的频率等于测试点的拉莫尔频率。

当发射停止后，发射回路快速切换到释能状态。C1、C2、L存储的能量会产生自激振荡，但是自由衰减的频率和拉莫尔频率不再相等，保证了接收回来的NMR信号来自发射而不是自由衰减产生。因为在自由衰减过程中，C1、C2、R、L共同参与，则自由衰减的频率:

通过实验测试可知，C=(C1×C2）/(C1+C2),C2≈0.5C1,自由衰减的频率约为拉莫尔频率的1.2倍。核磁共振时，发射回路的谐振频率为探测点的拉莫尔频率，通过式(1)可知，放电时自由衰减的频率远大于拉莫尔频率，这样就不会对地下的氢核产生核磁共振的影响，放电回路的独特设计保证了发射完毕后在最短的时间内快速切换到接收状态[5-6]。
2 实验结果
　 基于DDS的变频精密脉冲型电源的实验环境为某矿山的实验基地。已知地下30 m处有厚度为3 m的地下水仓，本仪器实地探测到了精确的地下水存在。当频率为2 000 Hz时，系统中IGBT控制信号的波形如图4所示。当电源系统频率为2 000 Hz时，输出120 A电流波形如图5所示。当电源系统输出电流为150 A,频率分别为2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz时，PC机接收到的NMR信号如图6所示。由图可以看出，采用不同频率发射、接收到的NMR信号的初始相位都相同，从而进一步验证了发射波形的有效性。表1的实验数据是利用LC回路发射不同频率的信号，其中谐配电容C的值由当地的拉莫尔频率选定，线圈电感L的值固定不变，使电路工作在谐振状态,实测6组不同频率和理论之间的误差,DC/DC输出为400 V，储能电容为24 V。经过计算分析得出以下结论:电源系统的发射频率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz范围内时，测得实际发射频率ft的值，其与f0之间的偏差范围(fd)控制在0.20 Hz内，符合NMR技术要求的标准。

本文设计了一种大功率变频精密脉冲型电源系统，与传统的逆变电源相比，创新点是：自适应精确校准谐振电容技术，通过采样发射回路的电流极值确定LC谐振回路的相关参数；快速关断释能技术及提高自由衰减频率电路的巧妙设计，确保接收NMR信号的有效性；IPM功率模块和M57962L驱动模块的使用，实现了大功率交变电流输出。通过电路的仿真和野外探测，满足探测的各项指标要求，对生产核磁共振找水仪发射机提供了成功的方案。
参考文献
[1] 潘玉玲, 张昌达. 地面核磁共振找水理论和方法[M].武汉:中国地质大学出版社,2000.
[2] 张建中，孙存谱.磁共振教程[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社,1996.
[3] 华学明,石伯圣,张继伟. IGBT逆变点焊电源主回路的计算机仿真[J].上海工程技术大学学报, 2001,15(1):
17-20.
[4] 林君，段清明，王应吉,等.核磁共振找水仪原理与应用[M].北京：科学出版社,2011.
[5] 王应吉,林君,荣亮亮,等. 地面核磁共振找水仪放大器设计[J]. 仪器仪表学报, 2008,29(8):1627-1632.
[6] ANFEROVA V, ANFEROV M, ADAMS P, et al. Blumich construction of a NMR-MOUSE with shortdead time concepts in magnetic resonance[J]. Magnetic Resonance Engineering,2002,15(1):15-25.