高压脉冲信号源设计

１８·　新技术新仪器　２０Ｏ９年第２９卷第１期　高压脉冲信号源设计　樊荣，张龙　（中国船舶重工集团公司第７Ｏ５研究所，陕西西安７１０ｏ７５）　

摘　要：提出了一种高压脉冲信号源的设计思路和实现方法，它解决了在某些专用测试设备校准中无可用的　标准信号源问题，也为其他类似问题的解决提供了参考。　关键词：校准；高压脉冲信号源；电路设计　中图分类号：ＴＭ９３３．２　文献标识编码：Ｂ　文章编号：１６７４—５７９５（２ｏ０９）０１—００１８—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｆ　ｍｇｈ－ｖＯｌｔａｇｅ　Ｐｕｋ沦ＳＯｕｒｃｅ　ＦＡＮ　Ｒ０ｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｏｎｇ　（Ｔｈｅ　７０５ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ＣｏｒｐｏＨｎｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ　７１ｏｏ７５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：１『ｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｕｌｓｅ　ｓｏｕｒｃｅＩｔ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　

ｐｍｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｎｏ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｓ０ｕｒｃｅ　ｆ０ｒ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｓｐｅｃｉａ１　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓ砌ｅ　ｔｉｍｅＩｔ　ｐｒ０ｖｉｄｅｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆ０ｒ　

ｓ０ｌｖｉｎｇ　ｔｈｅｓｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒ０ｂｌｅｍｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；　ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｕｌｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ；　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　

０　引言　专用测试设备往往是为了对某一特定的产品进行　功能及性能测试而设计的，作为测试设备的一种，它　也需要进行周期性的校准和标定。专用测试设备的校　准通常是用标准仪器设备来完成，其量值应当能够溯　源到国防最高计量标准或国家计量标准，但有些设备　由于其功能和性能的特殊性（如某型高压脉冲信号测　试设备需测试高压脉冲信号），不具备相应的通用仪　器，因此无法使用通用仪器进行校准，其量值也无法　向国防最高计量标准或国家计量标准溯源。在实际使　用中，对这些功能性能的校准和检测多数是采用制式　产品（其实就是一个真实的产品）来校准专用测试设　备的。这种方法在生产任务紧的情况下是一个折中方　法，是不得已的“悖论”措施（设备本是用来检测产　品的，现在却用产品来校准设备）。在产品和测试设备　都已交付的情况下，为便于用户使用，专用测试设备　的设计单位就应考虑设计相应的校准设备，以改变原　来依靠产品实现校准的状况，满足校准溯源性的要求。　某型高压脉冲信号测试设备（以下简称检查台）　收稿日期：２００８一Ｏ８—２５；收修改稿日期：２ｏｏ８—１０—１３　作者简介：樊荣（１９７１一），女，高级工程师，从事计量测试技　术工作。　的校准是作者在实际工作中遇到的诸多类似情况的一　个，校准检查台时需对一个高压（８０　Ｖ）的连续脉冲　信号（占空比不是１：１）进行测试，以确定该检查台　是否能准确测定该信号的脉宽和周期。在该检查台的　校准规程中规定检查此项目时应使用标准的合成信号　源或真实产品，现实情况是由于没有合适的标准信号　源，因而在每次校准时都使用真实产品。本文针对检　查台的校准需求，提出了能满足其校准要求的高压脉　冲信号源的设计思路和实现方式。　１　高压脉冲信号源的设计准则　由于高压脉冲信号源的设计是为了满足用户的单　使用要求，因此在设计时要考虑其性能可靠，操作　简便，同时其自身也必须便于校准，即通过普通标准　仪器能够实现其校准。　高压脉冲信号源的主要技术指标包括输入和输出　两部分，输人为标准２２Ｏ　Ｖ交流电源，输出为一高压　连续脉冲信号，具体要求为：输出电压幅值为７５—　９０　Ｖ可调，电压准确度为±１％；周期为７００～８０ｏ　ｍｓ　可调，准确度为±１％，正脉冲脉宽为６０～８０　ｍｓ可　调，准确度为±１％。　２　高压脉冲信号源的电路设计与实现　高压脉冲信号源的原理如图１所示。其基本原理　计测技术　新技术新仪器　·１９·　是：２２０　Ｖ，５０　Ｈｚ标准交流电源经ＡＣ／ＤＣ电源模块首　先转换成后续电路所需的直流电压（如２４Ｖ，１２Ｖ），　高压直流产生电路将输入的低压直流变换为满足输出　要求的高压直流信号；脉冲信号发生器则产生满足输　出规定要求的连续脉冲；脉冲信号对高压直流信号进　行调制后合成为高压脉冲信号。　

图１　高压脉冲信号源原理图　

２．１高压直流产生电路　高压直流产生电路的功能是将输入的低压直流　（如２４　Ｖ）经过变换成为幅值满足输出要求的高压直　流（如８０　Ｖ）。实现原理为：采用逆变电路将低压直　流变换为高频脉冲信号，再通过脉冲升压变压器将电　压幅值提升到输出电压所需的幅值，然后对高压脉冲　信号进行整流、滤波和稳幅，形成高压直流信号，而　当低压直流幅值调整时，高压直流信号幅值即可实现　在要求范围内的调整。　高压直流产生电路的电路原理图如图２所示。　

图２高压直流产生电路原理图　ＳＧ１５２４是美国硅通用公司（ＳｉｌｉｃｏｎＧｅｎｅｒａ１）生产　的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于１００　ｋＨｚ，工　作电压为８—４０　Ｖ，常用于构成逆变电路。　１）振荡频率的确定　ｓＧｌ５２４开关频率由ｓＧ１５２４的６脚、７脚外接电容　器ｃ　和外接电阻器Ｒ　决定，其值约为　：１．１８／　（　ｃ　）。Ｒ　的取值范围为１．８—１０ｏ　ｋＱ，ｃ，为０．００１～　Ｏ．１　，Ｒ　，ｃ　的实际取值为２　ｋＱ和０．０Ｏ３７４　。由　于ｓＧ１５２４内的触发器有二分频作用，故其输出信号频　率，＝　／２＝７８．９　ｋＨｚ。　２）补偿网络的确定　管脚９为补偿端，此处接上Ｒ　ｃ补偿网络给电路　引入一个零点来抵消电路输出滤波器中的极点，从而　消除掉电路寄生振荡，电阻、电容的取值分别为４２．４　ｋｎ和０．００ｌ　。　３）输出电压稳定的实现　ｓＧｌ５２４的内部基准电源　（１６脚输出）５Ｖ经过　电阻Ｒ，，Ｒ　分压后为２．５Ｖ，输入到其内部误差放大　器ＥＡ的同相输入端（２脚）。输出高压经Ｒ，，Ｒ。取样　后输入到其内部误差放大器ＥＡ的反相输入端（１脚），　当输出电压降低时，ｓＧ１５２４内部误差放大器的反相输　入电压减小，使输出脉冲的占空比变大，ＶＴ１管的导　通时问变长，从而使输出电压能回到原来的稳定值，　反之亦然。　脉冲升压变压器的工作频率为６０～７Ｏ　ｋＨｚ，以适　应ｓＧ１５２４的开关频率；变比根据ｓＧ１５２４工作电压　和输出电压进行设计，当工作电压为２４　Ｖ，输出电　压为８０　Ｖ时，其变比Ⅳ设计为３．３～３．５。Ｖ　，ｃ　，　Ｒ。　构成半波整流和平滑电路，使输出为高压直流　信号。　２．２脉冲信号发生器　脉冲信号发生器的主要功能是产生脉宽和周期满　２０·　新技术新仪器　２００９年第２９卷第１期　足输出要求的脉冲信号，用于对高压直流信号进行调　制。为保证脉宽和周期独立性，设计了脉宽和周期的　独立调整电路，电路原理如图３所示。　

图３脉冲信号发生器电路原理图　由ＮＥ５５５构成一个多谐振荡器，其充、放电回路　独立，Ｒ　Ｒ　可分别调节充、放电时间常数，以实现　输出脉冲脉宽和周期的独立调节。电路的充、放电时　间常数为　＝１．Ｏ９８（　。。＋尺　）ｃ５；　：１．０９８（Ｒ　＋　Ｒ　）ｃ　。为满足脉宽和周期的要求，Ｒ　，取值为５６　ｋＱ，　尺。４取值为５７６　ｋＱ，尺ｐ。和尺Ｐ２分别为２Ｏ　ｋＱ和１００　ｋＱ　的电位器，Ｃ　，ｃ　均为１　Ｆ，为提高频率稳定性，Ｃ　，　ｃ　可选用Ｉ类瓷介电容。　脉冲信号发生器电路的特点是驱动能力强，脉宽　和周期可独立设定。　２．３调制电路　将高压直流信号与脉冲信号通过一个开关管进行　调制合成，即可以得到满足要求的高压脉冲信号，电　路原理如图４所示。光电耦合器主要起驱动开关管和　高低压隔离的作用。Ｒ　阻值的选择应根据光电耦合器　二极管工作电流，　（一般为ｌ０　ｍＡ）来确定，确保光　电耦合器传输正常，　。输出正电压值为１０　Ｖ左右，　所以Ｒ，　为１　ｋＱ；　的阻值和功耗要考虑高压直流信　号的幅值和光电耦合器的传输比，既要Ｒ　不过流击　穿，又要使光电耦合器输出端电压降处于正常范围，　不致烧毁，所以选Ｒ，　的阻值为１２．４　ｋＱ。Ｖ　为高压　开关管，在选取时应考虑其耐压值和功率，本电路中　选用３Ｄ　５Ｆ，其功率为１５　ｗ，　。和　。均为２００　Ｖ。　为了保护开关管，防止输出短路时造成器件过流损坏，　图４中的尺　是一个ｆｒｒｃ器件，其特点是当流过的电流　小于额定电流时，导通电阻很小，而当过流时，电阻　变得很大，使工作电流迅速降低，直至切断输出，当　短路状态去除时，又恢复输出，从而保护开关管，使　其不会被过流损坏。　

图４调制电路原理图　２．４实测验证方法及验证结果　按以上设计思路进行了高压脉冲信号源的研制，　在实验室对该高压脉冲信号源的各项指标进行了测试。　测试时使用泰克公司的ＴＤｓ３Ｏ５４数字示波器对该信号　源的输出进行监测，３Ｏ５４示波器ｃＨ１通道设置为电压　值２０　Ｖ每格，时间轴２００　ｍｓ每格。ＴＤｓ３０５４示波器电　压幅值的测量精度为２％，为验证高压脉冲信号源电压　输出的准确度，另用协力公司的ｘＬ４ＶＰＤＴ数字表监测　信号幅值，该表的电压测量精度为０．５％。高压脉冲信　号源的前面板如图５所示；图６为示波器所测的高压　脉冲信号源输出测试波形，输出信号电压幅值为８０．０　Ｖ，正脉冲宽度为７０．０ｌ　ｍｓ，周期为７５０．０　ｍｓ；图７为　ｘＬ４ＶＰＤＴ数字表测试的电压值，显示电压值为７９．９　Ｖ，高压脉冲信号源的输出满足设计指标要求。　

图５高压脉冲信号源　图６高压脉冲信号源输出测试　（下转第２７页）