劉大鵬 夏忠 王蘭煒

1）中國地震局地殼應力研究所，北京市海淀區(qū)安寧莊路1號 100085

2）江蘇省地震局新沂地震臺，江蘇新沂 221400

0 引言

地電阻率觀測是我國地震前兆觀測領域的重要手段之一，目前主要采用直流電法。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國大部分地電阻率觀測臺站的場地都存在不同程度的電磁干擾，尤其是城市軌道交通和電氣化鐵路在各地的快速擴張，嚴重影響了地電阻率觀測數(shù)據(jù)的質量。越來越嚴重的電磁干擾使一些城市附近的地電阻率臺站觀測工作難以進行，不得不選擇搬遷（張世中等，2013）。

為此，我國地震科技工作者進行了很多研究和嘗試，其中，交流地電阻率觀測方法被認為是一種較為有效的方法（桂燮泰等，1988）。這種基于交流供電方式的新型電阻率觀測系統(tǒng)主要由低頻交流發(fā)射機（低頻穩(wěn)流電源）和低頻交流接收機組成。發(fā)射機通過供電電極向大地發(fā)射出固定頻率的低頻交流信號，接收機測量電極之間對應頻率的電壓及電流值，即通過選頻發(fā)射-選頻接收的方式，獲得較高的信噪比，明顯提高了觀測系統(tǒng)的抗干擾能力（羅維斌等，2004）。

20世紀80年代，中國地震局曾引進美國公司生產(chǎn)的Mark型低頻交流激發(fā)極化儀成套設備（包括發(fā)射機和接收機），在河北省開灤馬家溝地震臺開展地電阻率交流觀測方法的監(jiān)測實驗，結果證明了該方法的可行性（桂燮泰等，1988；馬希融，1989）。

這種基于交流供電方式的新型電阻率觀測系統(tǒng)投入實際應用的前提和基礎是要有性能良好的信號發(fā)射源，用以提供可調控、穩(wěn)流輸出的大功率低頻交流電。本文對這種低頻穩(wěn)流電源的研發(fā)與測試過程作了較為詳細的闡述。這是一項基礎性研究工作，為基于交流電法的新型地電阻率觀測系統(tǒng)的應用奠定了技術基礎。

1 理論基礎與關鍵技術

1.1 地電阻率交流電法觀測基本原理

在0.01～1000Hz頻段，交流電場分布可近似地遵循歐姆定律，此時地電阻率交流測量方法與直流測量方法相同（桂燮泰等，1988；張國民等，2001）?；诘皖l交流電法的地電阻率觀測原理如圖1所示。

圖1中，D、B為供電電極，M、N為測量電極，通過D、B向地下供入一定頻率的穩(wěn)定電流I，同時測量由此電流產(chǎn)生的M、N間的電位差ΔU，可由公式（1）計算出相應的視地電阻率值。

圖1 基于交流電法的地電阻率觀測原理

式中，K為裝置系數(shù)，與D、B、M、N電極的位置相關。

低頻交流地電阻率法是人工信號源向地下發(fā)送一定頻率的低頻穩(wěn)流信號，用高采樣數(shù)據(jù)采集器同步選頻接收經(jīng)大地傳輸后對應頻率的低頻電流的響應信號，進而測得電極間相應頻率的電壓及電流值，計算出測區(qū)的地電阻率值。由于該方法采用了特定頻率的信號進行觀測，這樣就在很大程度上規(guī)避了測區(qū)內因其它頻率噪聲信號引入的電磁環(huán)境干擾，從而大大地提高了測量系統(tǒng)的抗干擾能力（桂燮泰等，1988）。由此可見，在基于交流電法的地電阻率測量過程中，人工信號源（低頻穩(wěn)流電源）的輸出性能將發(fā)揮至關重要的作用。

1.2 交流電源關鍵技術分析

1.2.1 大功率輸出及電路保護

為了滿足一定的信噪比要求，低頻穩(wěn)流電源需要具備較高的輸出功率。參照中國地電阻率觀測臺站目前廣泛采用的ZD8系列直流穩(wěn)流電源，其供電電流有效值通常在2A左右。假設測量的負載為100Ω，則輸出功率約為400W。相較直流電源輸出的恒定狀態(tài)，交流電源的輸出波形始終處于交變狀態(tài)，其對整個電路及主要器件施加的電壓更高。這就需要在研制過程中對電路結構的設計、器件的選擇以及安全性保護措施等給予綜合考慮。

為了提高功率輸出能力，電源系統(tǒng)內部增加了高頻變壓器的設計，通過提升負載電壓實現(xiàn)大功率輸出的能力。對電源系統(tǒng)主電路的結構設計進行了多次優(yōu)化，功率器件均選用耐高壓、大電流的器件，同時采取完備的電路保護措施，以保證電源系統(tǒng)在輸出較大功率時的安全運轉。

1.2.2 電流幅度及頻率的穩(wěn)定輸出

供電電流的穩(wěn)定程度直接影響地電阻率的觀測精度。在實際觀測中，由于大地負載的變化、電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定都會引起供電電流的不穩(wěn)定，因此需要采取措施保證供電電流的穩(wěn)定輸出。此外，要求電流信號的輸出頻率及幅度在一定范圍內可以調節(jié)。

為了實現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出，采用了閉環(huán)負反饋的電源系統(tǒng)。電源輸出的取樣信號，通過與基準源所產(chǎn)生的基準信號進行比較，得到誤差信號，該信號經(jīng)過調制，控制開關器件的開關，自動校正主回路的輸出狀態(tài)，從而可以輸出幅度及頻率都很穩(wěn)定的電流。對電源輸出頻率和幅值的調控也是基于這個過程。通過改變基準信號的頻率和幅值，即可通過閉環(huán)回路自動調整輸出電流的頻率與幅值。

1.2.3 SPWM驅動控制信號的產(chǎn)生

電源系統(tǒng)穩(wěn)定、準確地輸出主要依靠SPWM驅動控制信號的控制，該信號的產(chǎn)生是通過電路及程序依靠自身調節(jié)自動快速完成的。要產(chǎn)生高質量的SPWM驅動控制信號，首先需要一個高質量的參考基準源，本研究以單片機為核心，以C語言和匯編語言相結合的形式編制了基準正弦波形發(fā)生程序，以產(chǎn)出高質量的參考基波；此外考慮到SPWM驅動控制信號所含的基波頻率很低（0.1～10Hz），用小型高頻變壓器的方法根本無法實現(xiàn)，因此在驅動信號的產(chǎn)生和加載過程需要設計新的處理環(huán)節(jié)。

2 電源的設計

2.1 基本結構

低頻穩(wěn)流電源系統(tǒng)的設計采用開關電源技術，以閉環(huán)負反饋結構通過正弦脈寬調制（SPWM）來實現(xiàn)對電源的輸出控制。交流電源系統(tǒng)主要由輸入與整流濾波電路、電壓變換電路、PWM驅動控制電路、逆變輸出電路、SPWM驅動控制電路、電壓取樣電路、電流取樣電路等部分組成（圖2）。

圖2 電源系統(tǒng)結構圖

圖2中，整流濾波電路完成將220V市電轉換為直流電的整流轉換。電壓變換電路、電壓取樣電路與PWM驅動控制電路組成閉環(huán)負反饋功率變換回路系統(tǒng)，完成“逆變-升壓-整流濾波”過程，實現(xiàn)提升輸出功率的作用。逆變輸出電路、電流取樣電路與SPWM驅動控制電路組成閉環(huán)負反饋逆變輸出回路系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定、準確的交流電流輸出。電源系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)以單片機為核心，通過接收主機的串口指令實現(xiàn)對電源的輸出狀態(tài)進行控制，使低頻穩(wěn)流電源能夠快速、準確地根據(jù)主機的命令來輸出相應頻率和幅度的交流信號。

2.2 功率變換回路

2.2.1 組成結構

功率變換回路主要由逆變開關電路、高頻變壓器、輸出與整流濾波電路、電壓取樣電路及PWM驅動控制電路等5個部分組成（圖3）。其中“逆變-升壓-整流濾波”環(huán)節(jié)是電壓變換電路的主體，實現(xiàn)了DC-AC-DC的轉變，電壓取樣與PWM驅動控制電路構成反饋控制回路，對逆變狀態(tài)進行自動校正和調節(jié)。

圖3 電壓變換電路結構圖

電壓變換電路（圖4）中的T1～T4是4個功率開關VMOS管，它們組合成了開關逆變器，主要實現(xiàn)DC-AC的轉換；TX1是大功率鐵氧體高頻變壓器，主要實現(xiàn)電壓提升與電氣隔離；D1～D4是4個二極管組成的全橋式整流器，主要實現(xiàn)AC-DC的整流處理；L1、C1組成濾波電路；R1、R2是2只精密電阻，主要實現(xiàn)電壓取樣；R0是1只假負載電阻；TX2是1組小型高頻變壓器，主要實現(xiàn)PWM驅動控制信號的加載以及電氣隔離。

圖4 電壓變換電路組成示意圖

圖4中，當VMOS管T1、T4或 T2、T3在反饋回路控制下按照固定頻率交替導通-關斷時，逆變出來的交流電（準方波）會加載在高頻變壓器TX1的原邊上，變壓器的副邊會感應出與繞組匝數(shù)成比例的交流感應電壓。該高頻交流電經(jīng)過全橋整流器進行整流處理，以及后面的LC濾波處理后，就得到了直流輸出。直流輸出經(jīng)電壓取樣后輸入PWM集成控制芯片，產(chǎn)生26kHz固定頻率的PWM驅動控制信號，經(jīng)變壓器TX2加載至4個VMOS管的柵極，控制VMOS管的導通-關斷狀態(tài)，進而實現(xiàn)整個功率變換閉環(huán)回路的自動調控。

2.2.2 逆變開關電路的設計

逆變開關電路是整個功率變換回路的關鍵環(huán)節(jié)之一，其主要功能是將直流電變換為高頻交流電，供變壓器進行升壓。逆變開關電路由4個內部帶高耐壓二極管的功率場效應晶體管（VMOS管）T1～T4組成，形成兩組交替導通、截止的H型全橋式逆變橋臂，其中T1和T4為1組，T2和 T3為另1組（圖 5）。

圖5 逆變開關電路結構圖

VMOS開關管的柵極是控制極，當柵極電壓高于導通電壓時，VMOS管的漏極和源極就處于導通狀態(tài)，否則處于關斷狀態(tài)。兩組開關管在26kHz高頻狀態(tài)下交替通斷（圖6），當開關管 T1、T4導通，T2、T3斷開時，負載電壓U0為正狀態(tài)；當開關管 T1、T4斷開，T2、T3導通時，負載電壓U0為負狀態(tài)。如此高頻交替進行，就在負載上得到了由直流電逆變而出的近方波交流電。

閉環(huán)負反饋回路通過SG3525集成芯片輸出26kHz固定頻率的 PWM驅動控制信號，加載至VMOS管的柵極，通過控制4個開關管的導通與截止，從而控制整個逆變電路的輸出。逆變橋電路輸出的示波器波形如圖7所示。

圖6 全橋式逆變等效原理圖

2.2.3 高頻變壓器的設計

為了滿足電源大功率輸出的要求，在逆變開關環(huán)節(jié)引入了高頻變壓器。高頻變壓器是指工作頻率超過10kHz的電源變壓器，其主要作用是將逆變開關電路輸出的高頻交流電進行升壓，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的輸出電壓的提升，同時還起到電氣隔離的作用。

開關電源中的高頻變壓器大多采用EI或EE型鐵氧體磁心。本研究選用的為EE65型鐵氧體磁心（圖8、9）。EE65型磁心為對稱性結構，制作出的高頻變壓器具有窗口面積大、繞制方便、價格適中、可靠性強等特點。

本研究選用的高頻變壓器工作頻率約為26kHz，選擇這個頻率主要是考慮2個因素：①如果工作頻率低于20kHz，會導致變壓器的體積與重量大幅度增加；②如果工作頻率如果設置過高，在大功率的運轉條件下，變壓器的發(fā)熱會比較嚴重。為了滿足電源大功率輸出的設計要求，高頻變壓器的原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)比為N1∶N2＝1∶2，這樣高頻變壓器的副邊繞組會感應出約2倍于原邊繞組電壓的交流電。

圖7 示波器顯示逆變開關電路輸出波形

圖8 EE65型磁心外觀

圖9 EE65型磁心骨架

2.3 逆變輸出回路

2.3.1 組成結構

逆變輸出電路主要由逆變開關電路、濾波輸出電路、電流采樣電路和SPWM驅動控制電路組成（圖10），主要作用是將升壓后的直流電進行DC-AC轉換，經(jīng)平滑濾波處理后輸出交流穩(wěn)流電流。

逆變輸出回路（圖11）的運轉過程是：電源輸出經(jīng)過電流取樣取得輸出的電流信號，經(jīng)放大器反向放大后與基準正弦波發(fā)生器輸出的指定頻率的基準正弦信號（通過單片機和D/A轉換器獲得）進行比較，得到誤差信號Ir，輸入SPWM集成控制芯片。SPWM集成控制芯片在誤差信號Ir與其外設元器件的作用下生成4路SPWM驅動控制信號，分別加載至逆變輸出電路的4個VMOS管的柵極，控制VMOS管的導通與截止，進而調節(jié)整個逆變輸出電路的輸出。

2.3.2 可變頻穩(wěn)定輸出的設計

圖10 逆變輸出電路

圖11 逆變驅動控制回路

電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確輸出是通過閉環(huán)反饋回路自動控制完成的。當輸出電流I0下降時，基準正弦信號與采樣電流之間的差值Ir會升高，進而會促使SPWM集成控制器（圖12）產(chǎn)生的SPWM脈沖控制信號的寬度變得更寬，寬脈沖會控制逆變橋VMOS管的導通時間變得更長，逆變出的能量會隨之增多，從而引起輸出電流I0的升高。反之亦然。這樣就實現(xiàn)了整個逆變輸出回路的自動調節(jié)與修正，保證了交流電信號輸出的穩(wěn)定和準確。

開關電源的輸出電流經(jīng)過取樣后與基準正弦信號進行差值計算，然后將其差值Δr與等腰三角載波進行比較調制，產(chǎn)生相應的SPWM驅動脈沖信號，進而控制逆變輸出電路4個VMOS管的導通與關斷，最終得到理想的正弦電流輸出。

由上述分析可知，基準正弦信號的形態(tài)決定了輸出信號的形態(tài)（圖13），通過控制基準正弦信號的頻率和幅度，即可控制整個電源系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。單片機在解析外部輸入的輸出狀態(tài)串口命令后，結合數(shù)/模轉換器共同產(chǎn)生0.1～10Hz范圍內的低頻標準正弦波，進而控制整個電源系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。

2.3.3 基準正弦信號發(fā)生器的設計

基準正弦信號的質量關系到整個電源系統(tǒng)的輸出質量，市場上的低頻正弦信號發(fā)生器質量較差，因此需要專門設計?；鶞收倚盘柊l(fā)生器采用1片AT89C55單片機芯片和2片MAX541數(shù)/模轉換器生成波形，結合低通濾波器及放大電路，可輸出0.1～10Hz之間的標準正弦波。波形的頻率和幅度在一定范圍內可任意改變，其中，頻率的改變通過串口指令控制，幅度的改變通過電位器調節(jié)實現(xiàn)。

圖12 SPWM驅動信號產(chǎn)生過程

圖13 示波器顯示變頻輸出信號的形態(tài)

單片機是整個正弦波形信號發(fā)生器的核心部分，在接收到外部串口變頻控制指令后，運行存儲的程序，向2片D/A轉換器輸出相應的數(shù)字信號，使2片 D/A轉換器輸出2組相位交錯的正弦正半周期波形，最后將2組信號疊加成1個完整的正弦信號?；鶞收倚盘柕男纬蛇^程如圖14所示。

圖14 基準正弦信號輸出流程

正弦波信號發(fā)生控制器的引腳如圖15所示。其中單片機連接了上電自動復位電路，外接溫補晶振的頻率為33MHz。運算放大器的外接電阻R1～R4采用0.01%級高精度電阻，以保證合成正弦波的對稱性。

圖15 正弦波信號發(fā)生控制器的引腳連接

3 性能測試

經(jīng)過初步分析，低頻穩(wěn)流電源的主要性能要求如下：

（1）輸入電壓：AC 220V±10%；

（2）最大輸出功率：優(yōu)于400W；

（3）輸出頻率范圍：0.1～10Hz；

（4）輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%；

（5）輸出電流幅值穩(wěn)定度：優(yōu)于0.5%；

（6）輸出電流的幅值、頻率可調。

3.1 最大輸出功率測試

輸出功率測試方法如圖16所示。R0＝100Ω，是大功率負載電阻，Ri＝0.1Ω，是取樣電阻。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電，使用MCDAU-1型數(shù)據(jù)采集器（交流觀測系統(tǒng)的接收機）以1000Hz采樣率對取樣電阻Ri的電壓量進行數(shù)據(jù)采集。

圖16 輸出功率測試

通過對數(shù)據(jù)采集器采集的電壓數(shù)據(jù)進行FFT處理，計算得到交流電源在指定頻率下輸出的單峰值電壓值Ui。由公式（2）可計算出電源的最大有效輸出功率P，其中I是有效輸出電流值。電源最大輸出功率測試結果見表1。

表1 電源最大輸出功率測試結果

3.2 輸出電流幅值穩(wěn)定度測試

輸出電流穩(wěn)定度測試方法如圖10所示。R0＝100Ω，Ri＝0.1Ω。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電，使用MCDAU-1型數(shù)據(jù)采集器以1000Hz采樣率對取樣電阻Ri的電壓量進行數(shù)據(jù)采集。每相隔20個正弦周期取1組正弦峰峰值數(shù)據(jù)，每個頻點各按此方法取8組數(shù)據(jù)。

按照公式（3）和公式（4）分別計算各頻點電壓測值的標準差（SD）和相對標準差（RSD），其中N＝8，Xi是電壓測值，是8組電壓測值的平均值。測試結果見表2。

表2 輸出電流穩(wěn)定度測試結果

3.3 輸出頻率穩(wěn)定度測試

輸出頻率穩(wěn)定度測試方法如圖17所示。R0＝100Ω，Ri＝0.1Ω。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電，使用Agilent 53132A型頻率計對取樣電阻Ri的電壓信號進行頻率測試，每個頻點讀取5組頻率測值。

圖17 輸出頻率測試

表3 輸出頻率穩(wěn)定度測試結果

按照公式（3）和公式（4）分別計算各頻點頻率測值的標準差和相對標準差，其中N＝5，Xi是頻率測值，是5組頻率測值的平均值（表3）。

4 結論和討論

本文針對應用于新型電阻率觀測系統(tǒng)的低頻穩(wěn)流電源開展研究。經(jīng)過測試，研制出的電源樣機具有良好的輸出性能，性能指標達到了初步的設計要求。樣機的輸出頻率在0.1～10Hz范圍內可調，最大輸出功率可達450W（100Ω負載電阻條件下），輸出電流的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%，輸出電流的幅值穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%，輸出電流的頻率和幅值可調。該型電源的研制為交流地電阻率觀測研究的開展奠定了堅實的基礎。

目前，基于交流電法的新型地電阻率觀測系統(tǒng)正在江蘇省江寧地震臺進行場地觀測實驗，為該觀測系統(tǒng)的實用化做準備。今后，該型電源還有幾個技術環(huán)節(jié)需要進一步加以完善和優(yōu)化：①該型電源目前的輸出功率已經(jīng)能夠滿足技術要求，但在實際觀測中，電源的輸出功率越大，產(chǎn)生的信噪比就越高，取得的觀測效果就越好。所以今后還需要繼續(xù)改進該型電源的電路結構及器件組成，進一步提高電源的輸出功率。②繼續(xù)完善和加強該型電源的安全性措施，提高其耐用性和安全性，為今后長期的場地環(huán)境觀測打下基礎。