利用单片机产生    高压锯齿波和系统抗干扰设计 海军工程大学电子工程学院孙玉轩 摘要介绍在放电管测试仪中以单片机系统为核心，控制产生高压锯齿波的原理和详细电路图。在高压、大电流工作情况下，为提高整个系统的稳定性、可靠性和安全性，测试仪中进行了电磁兼容设计并采取了一些有效的抗干扰措施。 关键词单片机高压锯齿波电磁干扰 引言 气体放电管是通信系统中保安单元的核心器件。它的非常重要的一项性能指标是放电管对自然界雷电高压及其感应的响应特性，其性能是否达到设计要求，直接关系到保安单元对通信系统能否起到保护作用。 脉冲击穿电压测试仪就是为完成对气体放电管性能指标的测试而设计的。仪器中模拟雷击电压效应的是一峰值为几千V，上升速率为1×109V/s的高压脉冲，陶瓷气体放电管的瞬间点火击穿电流高达10~50A。由于测试仪器中存在高电压、强冲击、大电流，使仪器的数字测试实现比较困难。该测试仪是采用单片机实现的智能型测试仪器。在研制过程中，完成了以单片机系统为核心，控制产生高压锯齿波的设计和实现。为提高抗干扰性，摸索出了一些行之有效的方法，为单片机在高压、大电流环境下安全、可靠地工作进行了有益的尝试。 图1高压锯齿波产生电路框图一、 由单片机控制产生高压锯齿波 测试仪中需要产生高压锯齿波测试源，本设计中实现该方案的框图如图1所示。 仪器中充分利用单片机资源，由单片机的定时中断产生频率为1kHz左右的振荡信号,来激励高压放大器，放大器的高压振荡波经倍压整流电路得到5kV的直流高压，此直流高压作为产生高压锯齿波的激励源。单片机控制系统通过光耦电路控制真空高压继电器的闭合与断开，由阻容锯齿波产生电路最后完成测试仪器所需的高压线性锯齿波，详细电路如图2所示。各部分组成为：由单片机P1.3端产生的1kHz激励信号通过光耦U2输入，三极管V1，V2和变压器T1与相应的偏置电阻组成高压放大器。V3，V4，R3，R4，R5，R6，P2和二极管VD17用来控制高压放大器的高压输出幅度。调节P2，可在500~1200V范围内调节高压输出。VD1~VD16、C1~C8组成5倍压整流电路，在输出端可得到5kV的高压直流输出。R10为高压释放电阻，当测试完成后，为高压电容提供放电回路，确保维护人员的安全。U1，V5，R7，R9，VD18，J1组成真空高压继电器控制电路，由单片机产生的控制信号INT1通过U1控制继电器的开和关。R8，C9和C10组成阻容锯齿波产生电路。最后在单片机的控制下，直流高压经过电阻R8对电容C9和C10的充电得到高压锯齿波的输出。 此处，使用单片机控制产生高压锯齿波的优点是： （1） 只有当测试启动时，单片机内部才将定时中断打开，产生高压放大器所需的激励信号;平时无激励信号，电路中无高压存在，系统安全。 （2） 单片机产生的振荡源频率由定时中断的时间常数所确定，故可由软件非常方便地修改，以使高压振荡器产生最佳效率的输出。 图2高压锯齿波产生电路图图3电容和稳压管的抗干扰作用示意图二、 测试仪的抗干扰设计 在测试中，电路经常出现瞬间高电压（最高为几kV）、大电流（10A以上）、强冲击，电磁干扰非常严重，所以如何解决测试仪的电磁兼容设计，是本测试仪的又一关键所在。在完成原理样机研制后，很容易出现死机甚至芯片损坏现象。经多次调试和重新设计，在抗干扰上取得了实质性进展，除采用光耦隔离、屏蔽等传统抗干扰措施外，在设计中还引入了如下技术。 1． 防冲击电容和稳压管的使用 由于电容两端的电压不能突变，本测试仪电路中，在易产生冲击的部位和易被强冲击损坏器件的输入、输出及电源对地端，并联上容量适中的电容，可有效地将冲击干扰电压限制在容许范围内。另外在易产生高压自激振荡干扰的两端，并联上不影响电路正常工作的稳压管，使自激停振，会收到抗干扰和保护电路的作用。例如：本测试仪在刚完成样机时，测试过程中经常发生器件损坏，甚至烧毁液晶显示器的情况，后来在主板+5V电源进入两端反向并联一5.6伏的稳压管，限制电源叠加高压，特别是杜绝了负压的产生，较好地解决了器件损坏这一难题。防冲击电容和稳压管的抗干扰作用如图3所示：左边的波形图为未加抗干扰电路的电源加强干扰原始波形图;右边的波形图为加入防冲击电容和稳压管电路的电源输出波形示意图。 2 共地不环流原则 在设计容易产生相互干扰但又必须有共地点的两部分电路时，可采用先不共地PCB设计，分别完成两部分电路PCB设计后，最后进行单点共地连接。这样可确保两部分电路之间无电流流通，又保证处于同一参考地（共地不环流），可以很大程度地减小大电流产生的共地干扰。 3主控板和其他电路板的分开设计 在整个测试电路中，电路类别的划分除考虑功能外，更要考虑系统的抗干扰问题。易于相互干扰的两部分最好分开设计，这样也利于作屏蔽等处理。例如，本测试仪分4个PCB部分：主控部分、显示键盘部分、高压测试源和电源部分，且几部分均只直接和电源发生共地。另外，设计中相互间也要尽量减少信号线连接。 4 优质电源滤波器的选择 很多外界幅射干扰大部分是通过电源形成传导干扰，进而影响系统稳定性的，所以电源滤波器的抗干扰作用也非常重要。目前，市场上很多电源滤波器达不到理想的滤波效果，所以，选择优质电源滤波器就显得尤为重要。在本测试仪中的电源输入端，选用了瑞士“SCHAFFNER”公司生产的9044F型电源滤波器，使系统的抗干扰能力大大提高。9044F电源滤波器电路如图4所示。 图49044F电源滤波器电路图测试仪采用了上述抗干扰措施后，工作稳定、可靠。在高电压、大电流、强冲击电磁干扰环境下，实现了单片机的正常工作。 结束语 本文介绍的技术解决了HMC\ 20型脉冲击穿电压测试仪研制过程中的主要难点——高压锯齿波的产生和如何使仪器稳定、安全地工作。该仪器研制成功后，在南京大学电子设备厂经过近2年的使用，达到了原设计与合同规定要求。实践证明，在测试仪中采用的关键技术，具有一定的先进性和较强的实用性，为国产同类产品完成从手动到智能、从模拟到数字以及降低成本，特别是对于如何在电磁干扰比较严重的环境下使用单片机，使其所组成的系统稳定、可靠地工作，做了一些有益的探索;相信会对其他类型智能测试仪器和单片机系统的研制提供一定的参考和借鉴。MES 参考文献 1李华MCS\ 51系列单片机实用接口技术北京：北京航空航天大学出版社，1993 2何为民低功耗单片微机系统设计北京：北京航空航天大学出版社，1994 3吕京建.单片机与嵌入式系统工业综述.浙江大学学报自然科学版，1998，12（增刊）：23 ~30 4（美）R．F．格拉夫电子电路百科全书北京：科学出版社，1991 5王幸之等单片机应用系统抗干扰技术北京：北京航空航天大学出版社，1999