納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計

1、納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計【摘摘 要要】脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)高壓絕緣監(jiān)測、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗方面得到了廣泛的應(yīng)用，如固體絕緣空間電荷分布的測試裝置、超寬帶（uwb）無線電通訊技術(shù)、電火花加工表面粗糙度檢測和除塵技術(shù)等。目前，產(chǎn)生這種納秒級高壓脈沖的方法有兩種：第一，利用波傳輸?shù)脑恚@種方法能得到的脈沖波形電路簡單，易于實現(xiàn)，但波形的對稱性有待提高；第二，通過控制火化間隙放電得到窄脈沖，利用這種方法制成的脈沖源，其脈沖的頻率不易調(diào)節(jié)，脈沖波形不穩(wěn)定。在本文中，研制的便攜式納秒級高壓脈沖發(fā)生器中，以 rlc 振蕩電路替換rc 充電電路，通過控制 mosfet 的導(dǎo)通和關(guān)斷，使振

2、蕩回路中的電感上產(chǎn)生高壓脈沖。所制成的是一種高壓窄脈沖發(fā)生器，具有輸出脈沖寬度在20ns100ns 可調(diào)，輸出電壓幅值在 5001000 v 可調(diào)，且具體積小、重量輕、脈沖頻率可調(diào)等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：高壓窄脈沖；rlc 振蕩；納秒級；nec555納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計目錄1 1 引言引言.3 32 2 脈沖發(fā)生器的種類和各自的優(yōu)缺點脈沖發(fā)生器的種類和各自的優(yōu)缺點.5 52.1 高壓脈沖發(fā)生器 .52.1.1 高壓脈沖發(fā)生工作原理 .52.1.2 高壓脈沖形成電路 .52.1.3 高壓脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點 .62.2 毫微秒脈沖發(fā)生器 .62.2.1 毫微秒脈沖發(fā)生器的原理 .72.2.2 毫微

3、秒脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點 .82.3 基于單片機的高壓脈沖發(fā)生器 .82.3.1 基于單片機的高壓脈沖發(fā)生器原理 .92.3.1 基于單片機的高壓脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點 .102.4 超短脈沖發(fā)生器 .102.4.1 超短脈沖發(fā)生器原理 .102.4.2 超短脈沖發(fā)生器的原理 .122.4.3 超短脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點 .132.5直接耦合式高壓脈沖電源 .132.5.1 直接耦合式高壓脈沖電源原理 .142.5.2 直接耦合式高壓脈沖電源優(yōu)缺點 .152.6 利用 mosfet 產(chǎn)生納秒級窄脈沖（半導(dǎo)體器件為開關(guān)）.153 3 集成集成 555555 定時器的介紹定時器的介紹.17173.1 555

4、定時器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理.173.2 555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化圖.183.2.1 分壓器： .183.2.2 比較器 .183.2.3 基本 rs 觸發(fā)器 .193.2.4 放電器與輸出緩沖器 .193.3 集成 555 定時器的引腳介紹 .203.4 集成 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 .21納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計3.4.1 多諧振蕩器電路的構(gòu)成 .213.4.2 振蕩頻率的估算 .223.4.3 多諧振蕩器的功能及應(yīng)用 .234 4 納秒級高電壓脈沖發(fā)生器的主電路設(shè)計及試驗結(jié)果納秒級高電壓脈沖發(fā)生器的主電路設(shè)計及試驗結(jié)果.24244.1 高壓脈沖裝置的組成 .244.1.1 直

5、流穩(wěn)壓電源部分 .244.1.2 高壓脈沖成形電路 .254.2 產(chǎn)生的脈沖形狀及分析以及對此發(fā)生器的評價 .274.3 開關(guān)電路的設(shè)計與試驗 .284.4開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計 .324.4.1開關(guān)驅(qū)動電路 .324.5 主回路電路設(shè)計 .334.5.1 電路的仿真分析 .344.6 電路參數(shù)的確定及實測結(jié)果 .354.6.1 電路參數(shù)對波形影響的分析 .354.6.2 實驗結(jié)果及分析 .374.7 結(jié)論 .375 5 總結(jié)總結(jié).3838致謝致謝.3939參考文獻參考文獻.4040附錄附錄.4141納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計1 1 引言引言最近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研制出了新的測試技術(shù)，

6、以迎接業(yè)界新標準快速發(fā)展所帶來的挑戰(zhàn)，例如各種信號發(fā)生器，半導(dǎo)體和通信技術(shù)，脈沖測試技術(shù)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。比如高壓脈沖發(fā)生器在實際生活中被得以廣泛的應(yīng)用。在靜電除塵方面，脈沖供電技術(shù)是靜電除塵中一種先進的供電方式；在通信領(lǐng)域，被用于超寬帶uwb 無線通信技術(shù)；還用于測量空間電荷的分布；在食品滅菌領(lǐng)域，高壓脈沖電場殺菌是一種全新的非熱處理殺菌方法；以及在醫(yī)療領(lǐng)域，可利用體外高電壓脈沖放電產(chǎn)生震波來粉碎人體內(nèi)的結(jié)石；當然，高壓脈沖發(fā)生器也可應(yīng)用于一些儲能設(shè)備中高壓脈沖放電開關(guān)的觸發(fā)，引爆高壓火花隙雷管等場所。毫微秒脈沖發(fā)生器在電子能譜測量的飛行時間（tof）技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。基于單片

7、機的高壓脈沖發(fā)生器，在產(chǎn)生脈沖寬度、脈沖個數(shù)、脈沖電壓強度均需要調(diào)節(jié)的高壓脈沖電場中有著廣泛應(yīng)用。而對于超高分辨率雷達、擴頻通信技術(shù)以及其它許多需要寬帶輻射的應(yīng)用來說，超短脈沖發(fā)生器是十分重要的，從某種程度上來講，超短脈沖的形成技術(shù)已成為許多寬帶應(yīng)用中的核心技術(shù)。在靜電除塵中脈沖供電等技術(shù)是一種先進的供電方式，而開關(guān)元件是脈沖裝置的關(guān)鍵部件。高壓脈沖電源種類有多種，按高壓脈沖電源的實現(xiàn)的方法其可分為機械開關(guān)式，高壓固態(tài)開關(guān)式，和 marx 網(wǎng)絡(luò)（marx 發(fā)生器）等。其中高壓固態(tài)開關(guān)式，和 marx 網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)納秒級的窄脈沖和很高的脈沖頻率。集成 555 定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電

8、路，是一種將模擬功能和邏輯功能集成在同一硅片上的單片時基電路。該集成電路是美國 signetics公司在 1972 年推出并投放市場的，目前世界上幾乎所有的半導(dǎo)體廠家都有同類產(chǎn)品，而且型號上都有“555”三個字（例如國產(chǎn)的 fx555，5g555，j555 及國外的a555，ne555 等） 。集成 555 定時器使用靈活方便，只需外接少量的電阻和電容元件，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器，可以應(yīng)用于儀器、儀表、自動裝置、防火防盜報警器、民用電子產(chǎn)品等。多諧振蕩器則巧妙地運用了電容的沖放電及與非門的通斷條件把直流電轉(zhuǎn)換成脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)放大，再經(jīng)變壓器變壓可實現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換

9、成交流電。根據(jù) 555 定時器的功能特性，利用電容的充電需要一定的時間，經(jīng)元件組合，可成為一個定時智能電路，如門鈴，以及其它智能開關(guān)報警器等。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計自從 takada 教授在 1983 年提出的電聲脈沖法，現(xiàn)已發(fā)展成為研究固體介質(zhì)中空間電荷分布的一種成熟的測量技術(shù)，其基本原理是受電脈沖作用的介質(zhì)試樣內(nèi)部有空間電荷存在，故會產(chǎn)生不均勻形變，測量聲信號可從中得到空間電荷分布的信息，測量靈敏度及分辨力與電脈沖的形狀密切相關(guān)，故電壓脈沖發(fā)生器為該裝置的關(guān)鍵部件，但傳統(tǒng)的電壓脈沖發(fā)生器由火花間隙產(chǎn)生電脈沖，其缺點是脈沖頻率不易調(diào)節(jié)，脈沖波形易變化。在本論文中介紹介紹了一種體積小，重

10、量輕的新型 ns 級電壓脈沖發(fā)生器，它可用于電聲脈沖法測量空間電荷的試驗裝置中，該發(fā)生器采用以開關(guān)電路為基礎(chǔ)的電源代替原來的工頻整流電源，以濕簧管代替火花間隙，使得電源的重量下降到原來的體積也大縮小 d15經(jīng)試驗可輸出脈沖寬度為 20ns 幅值最高為 2000v 的可調(diào)納秒級脈沖電壓。本論文主要研制的是高壓 ns 級高壓脈沖發(fā)生器，開關(guān)電路的設(shè)計是本文研究的重點。采用由高頻開關(guān)電路和脈寬調(diào)制原理制成的直流高壓電源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由工頻高壓變壓器和整流電路制成的直流電源作為脈沖發(fā)生器電源，使輸出的直流電壓基本不受電網(wǎng)波動而波動,從而得到穩(wěn)定的直流電壓。并且以rlc 振蕩電路作為主電路, 通過控制開關(guān)

11、電路的導(dǎo)通和關(guān)斷,使振蕩回路中的電感上產(chǎn)生高壓脈沖。該脈沖發(fā)生器具有輸出脈沖寬度 20100 ns 可調(diào)、最高輸出電壓 1000 v 、體積小、脈沖頻率可調(diào)等優(yōu)點。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計2 2 脈沖發(fā)生器的種類和各自的優(yōu)缺點脈沖發(fā)生器的種類和各自的優(yōu)缺點 脈沖發(fā)生器的種類很多，用途廣泛，本章節(jié)主要介紹五種發(fā)生器，即高壓脈沖發(fā)生器，毫微秒脈沖發(fā)生器，基于單片機的高壓脈沖發(fā)生器，2.1 高壓脈沖發(fā)生器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種信號發(fā)生器己在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這里所介紹的高壓脈沖發(fā)生器可應(yīng)用于一些儲能設(shè)備中高壓脈沖放電開關(guān)的觸發(fā)，引爆高壓火花隙雷管等場所。由于高壓脈沖發(fā)生器可以被其它信號

12、產(chǎn)生器觸發(fā)，且在高壓脈沖產(chǎn)生的同時有一路輸出幅度較低與它只有幾個 ns 延遲的同步信號輸出，因此在某些要求進行時間控制的場合更為適用。另外此高壓脈沖發(fā)生器有一路直流高壓輸出，也可作為高壓充電電源對高壓儲能電容充電。2.1.1 高壓脈沖發(fā)生高壓脈沖發(fā)生工作原理高壓脈沖發(fā)生器主要由低壓電源、高壓組件、高壓脈沖形成、觸發(fā)控制電路、同步信號輸出、觸發(fā)指示電路六部份組成。 （如圖 2-5）所示。圖 2-5 高壓脈沖發(fā)生器方框圖2.1.2 高壓脈沖形成電路高壓脈沖形成電路包括儲能電容、觸發(fā)管、限流電阻等幾部分。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計圖 2-6 高壓脈沖電路高壓組件通過限流電阻 r13 對儲能電容 c

13、9 充電，觸發(fā)時觸發(fā)控制電路輸出的觸發(fā)脈沖使觸發(fā)管導(dǎo)通，儲能電容通過觸發(fā)管、負載放電，產(chǎn)生一負高壓脈沖。2.1.3 高壓脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點優(yōu)點：高壓脈沖發(fā)生器可以被其它信號產(chǎn)生器觸發(fā)，且在高壓脈沖產(chǎn)生的同時有一路輸出幅度較低與它只有幾個 ns 延遲的同步信號輸出，所以在某些要求進行時間控制的場合比較適用。另外此高壓脈沖發(fā)生器有一路直流高壓輸出，也可作為高壓充電電源對高壓儲能電容充電。缺點：高壓脈沖的延遲是指從外觸發(fā)輸入到高壓脈沖輸出這段時間內(nèi)各部分電路延遲時和，容易引起引起高壓脈沖延遲和晃動。高壓脈沖的晃動是指任意兩次高壓脈沖之間的時間差。原因有多方面，主要包括觸發(fā)控制電路和觸發(fā)管產(chǎn)生的延遲和

14、晃動。高壓脈沖形成電路中觸發(fā)管前級的電路引起的脈沖晃動較小，而觸發(fā)管的陽極高壓對晃動的影響則較為明顯。另外觸發(fā)控制電路產(chǎn)生的延遲較穩(wěn)定，而觸發(fā)管的陽極高壓對延遲的影響較大，因此在使用過程中，特別是對于高壓脈沖輸出信號有嚴格的的時間要求時，應(yīng)根據(jù)需要合理選擇高壓，以減小高壓脈沖的延遲和晃動帶來的誤差。 2.2 毫微秒脈沖發(fā)生器毫微秒脈沖發(fā)生器在電子能譜測量的飛行時間（tof）技術(shù)中有重要的應(yīng)用。由于需要定時，tof 譜儀必須使用脈沖電子束，采用把脈沖偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的高能脈沖電子束打在二次電子靶上，產(chǎn)生寬能區(qū)的二次脈沖電子譜， 需要在 tof譜儀偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上加毫微秒脈沖，實現(xiàn)對脈沖電子束的調(diào)制。為了獲

15、得 tof 譜儀測量需要的高能脈沖電子束，本文利用晶體管的雪崩特性設(shè)計制作可以按需要改變輸出脈沖寬度的毫微秒脈沖發(fā)生器。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計2.2.1 毫微秒脈沖發(fā)生器的原理晶體管工作在雪崩狀態(tài)可以產(chǎn)生大幅度、毫微秒上升時間的高速脈沖。圖2-7 是利用晶體管的雪崩特性設(shè)計的脈寬由成形電纜決定的毫微秒脈沖電路。利用此簡單的雪崩電路和通用脈沖發(fā)生器可獲得上升時間 1ns、50 負載下最大輸出脈沖幅度 35v、脈沖成形寬度 20ns、最大重復(fù)頻率 60khz 的毫微秒脈沖，其輸出波形如圖 2-8 所示。圖 2-7 毫微秒脈沖電路圖 2-8 所示脈沖的峰頂及后沿都較差，而且尾部出現(xiàn) 5v 的伴

16、隨脈沖。為克服這些缺陷，設(shè)計出如圖 3 所示的兩級平行連接的毫微秒脈沖發(fā)生器。圖 2-8 毫微秒脈沖電路輸出波形圖 2-9 中，通用脈沖發(fā)生器輸出的上升時間為 10ns 的正脈沖，經(jīng)過 r1c1，組成的微分網(wǎng)絡(luò)微分后成為 1ns 的尖脈沖，從而使靜態(tài)時處于截止狀態(tài)的三極管 t1產(chǎn)生雪崩。靜態(tài)時電源對小電容 c2充電，使其儲存一定量的電荷。雪崩時使 t1，處于低阻狀態(tài)，c2中的電荷極快釋放出來。因時間常數(shù) 較小，因此在納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計輸出 1 端得到的是一個尖脈沖。其上升時間決定于雪崩晶體管的開關(guān)性能及與之相關(guān)電路的匹配（為 0.8-0.9 ns） 。脈沖高度取決于電容 c2的觸發(fā)信

17、號到達前的充電電壓（可得到 10v 高度) 。圖 2-9 通用脈沖發(fā)生器在另一路，由 t1射極輸出的 ns 正脈沖又成為三極管 t2的觸發(fā)信號，正信號的輸人導(dǎo)致 t2雪崩， 使作為儲能元件的成形電纜 dl 放出所儲電荷，從而在t2 射極產(chǎn)生一正的快前沿脈沖。該脈沖的寬度決定于成形電纜（特性阻抗為50 的同軸電纜)的延遲時間 t=2dl，而電纜延遲時間為 5ns/m，因此可以按需要改變輸出脈沖的寬度。2.2.2 毫微秒脈沖發(fā)生器的優(yōu)缺點可以輸出兩種脈沖。一種是：尖脈沖輸出（輸出 1） ，上升時間 tr，a 輸入為高電平，即=1（邏輯 1） ，而若6vcc23vav使，輸出為低電平，即=0（邏輯

18、0） ，當輸入信號使，則=0；cc23vov若，則=0；trcc13vov納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計若 th，則保持原態(tài)。cc23vtrcc13vov并且得到：不允許輸入 th， “1”cc23vcc13v高（h）低（l）導(dǎo)通cc13v高（h）原狀態(tài)原狀態(tài) “0”cc23v0.5 時 q 對電路也起到了升壓10qnquu（1- ）作用。若將輸出模式控制端接地，則輸出 q50%,且 q 越大，升壓作用越強。q為其最大值 96%時相當于升壓 24 倍。在此發(fā)生器中此電路為升壓電路，適當?shù)卣{(diào)節(jié) q 和 n 可得到相應(yīng)的升壓；因所需要的功率很小，并且在變壓器的副邊輸出電壓遠遠大于 d 的壓降，故不考

19、慮對儀器效率的影響?？紤]到電路復(fù)雜性和成本等，選擇常用的脈寬調(diào)制方式控制開關(guān)電源中功率 mos 管 t。4.1.2 高壓脈沖成形電路選擇結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定的傳輸線儲能脈沖發(fā)生器電路為 ns 級脈沖形成電路，用同軸電纜變換和傳輸脈沖，在負載電阻 rh和傳輸線波阻抗 相同的理想匹配時負載上出現(xiàn)矩形脈沖。但通常兩者不是嚴格相同的。當 rh 時，脈沖呈現(xiàn)階梯狀,同極性；當 rh() udd時，端子 3 輸出電壓低，c1將通過端子 3 緩慢放23電；c1上電壓() udd時，端子 3 極性反轉(zhuǎn)，重新對 c1充電，因端子 7 與 3 極13性相反，故充放電過程中，端子 7 控制的三極管也將相應(yīng)地導(dǎo)通和截止

20、；（3）當端子 7 電壓為高時，555 定時器內(nèi)部 mos 管導(dǎo)通，三極管 2n2222 截止；當端子 7 電壓為低時，555 定時器內(nèi)部 mos 管截止，圖 10 中的二極管導(dǎo)通?？焖俣O管 fr1.5 作為續(xù)流電路，保護開關(guān)的晶體管。電阻 r1使續(xù)流電流幅值減小，持續(xù)時間增加，避免電感上出現(xiàn)二次過電壓。圖 4-5 555 定時器控制電路圖4.2 產(chǎn)生的脈沖形狀及分析以及對此發(fā)生器的評價控制 mos 管的導(dǎo)通時間可調(diào)節(jié)占空比 q 以調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓。這里介紹的儀器輸出脈沖范圍為幾v2kv。當 r1=r2時，用分壓比為1：100 的阻容式分壓器測得的脈沖波形示于圖 4-6。由圖 4-6 可見總

21、體上脈沖波形較好，但仍可見有很小的抖動，原因可能是：傳輸線不可能完全均勻；儀器元器件的參數(shù)誤差；脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖波形很窄，其高頻成分引起的常規(guī)元器件高頻效應(yīng)影響脈沖電路匹配；元器件納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計的尺寸使各部件引線的微小電感影響波形。脈沖 圖 4-6 輸出的脈沖波形初始波形的負值是因在此頻率下元件分布參數(shù)的時延及殘余電感的影響所致。 用 tl494 脈寬調(diào)制型控制器為 mos 管的驅(qū)動電路，其單端反激型開關(guān)電路輸出的直流電壓經(jīng)過脈沖成形線及脈沖傳輸線可產(chǎn)生幅值最高達 2kv 脈沖寬度20ns 的可調(diào) ns 級脈沖電壓。4.3 開關(guān)電路的設(shè)計與試驗根據(jù)前面 3.4 節(jié)對集成 5

22、55 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的說明，以及各種不同脈沖發(fā)生器的介紹，本論文需要設(shè)計的控制脈沖為占空比 50%，頻率為 1-10hz，因此在設(shè)計的過程中， ，其中選用的電阻，可調(diào)電brarar10kbr阻選用 01m,固定電阻用 100k，c 取 1f，上的電壓加+5v。ccu 根據(jù)上述的參數(shù)和 555 多諧振蕩器的基本電路，制作相應(yīng)的電路，并對波形進行測試。1） 當 中的可調(diào)電阻為時，即，br1a1001000brkr 0.77710.7 (101001000)tkkk1 f =0.7720.7 (1001000)tkk1 f121.547ttts1646fmhzt的輸出波形如下圖 4-7 和

23、4-8 所示。0u納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計圖 4-7 t=1.513s f=661.0mhz 占空比 +49.92% -50.08%圖 4-8 t=1.5s f=666.7mhz 占空比 +49.93% -50.07%由圖可知，當 中的可調(diào)電阻為時，br1t 1.5s，f 666mhz，占空比約為 50%，（示波器每格單位為 5v，即幅值約為 4.8v。 ）2）當 中的可調(diào)電阻調(diào)到時，即br500k100500brk納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計 =0.427，10.7 (10100500)tkkk1 f，20.7 (100500) 10.42tkkf ，12847tttms，11.1806

24、fhzt所以在改變可調(diào)電阻后，的輸出波形如下圖 4-9 所示0u圖 4-9 t=559.6ms f=1.787hz 占空比 +50.32% -49.68%由上圖可知，當 中的可調(diào)電阻改變阻值后，測得的數(shù)據(jù)如下：brt 559.6ms，f 1.787hz，占空比約為 50%幅值約為 4.8v。3）當 中的可調(diào)電阻為時br0k，10.7 (10100) 10.077tkkf ，20.7 10010.07tkf，12147tttms納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計，16.802fhzt的輸出波形如圖 4-10 所示。0u圖 4-108 t=153.5ms f=6.515hz 占空比 +51.99% -4

25、8.01%由上圖可知，當 中的可調(diào)電阻為時，測得數(shù)據(jù)如下：br0kt 153.5ms，f 6.515hz，占空比約為 50%（圖 3-8 每格單位為 2v，幅值約為 4.8v）由此可見，對于振蕩電容固定的電路來講，可以通過改變電阻的阻值實br現(xiàn)對震蕩頻率的調(diào)節(jié)。本論文中對于 rb 電阻采用可調(diào)電阻和固定電阻組成，實現(xiàn)振蕩頻率大約在 1-10hz 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。為了對 ne555 振蕩電路工作電路更深的了解，對處和處的波形進行了測量。0uvc納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計圖 4-11 t=431.8ms f=2.316hz 占空比 +509.53% -49.47%由圖 4-11 可知，當電容 c

26、被充電時，上升，當上升到時，觸發(fā)器cc23vcc被復(fù)位；當電容 c 通過放電時，下降。在下降到時，觸發(fā)器又被置cc13vcc位?？梢妶D像顯示于之前的理論說明一致。4.4開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計對于 555 振蕩器產(chǎn)生的信號，其功率小，不足以去驅(qū)動開關(guān)，因此在驅(qū)動開關(guān)之前，需要對控制信號進行放大，本論文采用 npn 三極管對控制信號進行放大。4.4.1開關(guān)驅(qū)動電路根據(jù)上述三級管的放大原理，本論文采用共基極的電路，電路如圖 4-12 所示。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計圖 4-12 共基極放大電路其控制過程為：當 1 號點的電平為低電平（0）時，三極管處在截至狀態(tài)，2 點與地點的阻抗為無窮大，因此在 2 點

27、的電壓為+15v，反之，當 1 號點的電平為高電平（5v）時，三極管處在導(dǎo)通狀態(tài)，2 點與地點的阻抗很小，因此在2 點的電壓為 0.7v。并對該電路進行了不同頻率測試，測試結(jié)果如圖 4-13、4-14 所示。從測試的結(jié)果可以看出，測試的結(jié)果和設(shè)計相一致。圖 4-13 t=428.8ms f2.332hz 占空比 +50.54% -49.46%圖 4-14 t=154.1ms f=0.489hz 占空比+51.98% -48.02%4.5 主回路電路設(shè)計納秒級高壓脈沖發(fā)生器的基本工作原理如圖 4-15 所示。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計圖 4-15 高壓脈沖發(fā)生器的基本電路原理圖從圖 4-15

28、中可以看出整個電路由直流高壓電源 dc、充電電阻 rt、脈沖電容器 c、阻尼電阻 rv、高壓開關(guān) k（本文利用 mosfet 作為開關(guān)）和電感 l 組成。其工作過程為：控制高壓開關(guān)斷開，利用直流高壓電源通過充電電阻向脈沖電容器充電，當電容充滿電后，控制高壓開關(guān)導(dǎo)通，使 rlc 回路發(fā)生振蕩，這時在電感上就產(chǎn)生了納秒級的高壓脈沖，通過調(diào)節(jié) rlc 的參數(shù)、直流電源的輸出電壓和高壓開關(guān)的工作頻率，從而在電感上得到了不同電壓、不同頻率和不同脈寬的脈沖信號。從上述的整個電路來看，高壓開關(guān)的導(dǎo)通速度對整個電路是否能得到納秒級的高壓脈沖起到了至關(guān)重要的作用，為了得到納秒級脈沖，就需要采用導(dǎo)通速度非?？斓拈_

29、關(guān)。因此，本文采用高速 mosfet，其導(dǎo)通時間為10ns。此外，還使用加快 mosfet 導(dǎo)通速度的方法使 mosfet 的導(dǎo)通時間大大縮短。4.5.1 電路的仿真分析為了確保這種振蕩電路是否能產(chǎn)生窄脈沖，本文利用 pspice3.0 版本的仿真軟件在 windowsxp 下對上述的整個電路進行了仿真。其仿真的電路及電路中各個參數(shù)如下，見圖 4-16。圖 4-16 仿真電路及各電路參數(shù)仿真的程序如下：a pulse generatev1 1 0 dc 1000v 電壓值r1 2 1 rmod 2e6 電阻值c1 2 0 cmod 10pf ic=0 電容值納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計r2 2

30、 3 rmod 300 電阻值l1 4 0 lmod 4uh ic=0 電感值w1 3 4 5 6 smod 開關(guān)v2 5 6 pulse（0 15 0 0 0 0.1s 0.2s）脈沖控制電源.model rmod res(r=1 tc1=0 tc2=0).model cmod cap(c=1 vc1=0 vc2=0 tc1=0 tc2=0).model lmod ind(l=1 il1=0 il2=0 tc1=0 tc2=0).model smod vswitch ron=5 roff=5e+12 von=12 voff=0.8v.tran 5ns 10s 瞬態(tài)分析.probe 圖形顯示.

31、end電路中充電電容和電感上的仿真電壓波形如圖 4-17 所示。圖 4-17 充電電容和電感上的仿真電壓波形圖從仿真的結(jié)果來看，在充電電容 c 和電感 l 上都得到了理想的波形，電感上的電壓是在充電電容上電壓的下降沿產(chǎn)生，即在 mosfet 導(dǎo)通后，充電電容 c和阻尼電阻 rv、電感 l 發(fā)生串聯(lián)振蕩形成的，這與實際的情況相一致，并在電感 l 上得到了非常理想的 20ns 高壓脈沖信號。因此，利用這種振蕩的原理是可以獲得超窄高壓脈沖的。4.6 電路參數(shù)的確定及實測結(jié)果4.6.1 電路參數(shù)對波形影響的分析從圖 4-15 可以看出，整個電路可以分為 rc 充電回路和 rlc 串聯(lián)振蕩回路兩部分，以

32、下對電路中各個器件的參數(shù)對波形的影響進行了分析。1）電阻 rt納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計由原理圖可知，振蕩回路的能量完全來源于充電電容所儲存的能量，因此，充電電容在 mosfet 導(dǎo)通前是否充分充電是非常重要，而對于電路的前部分 rc充電回路來講，時間常數(shù) 是一個重要的參數(shù), 值越大，充電速度愈慢；反之則速度愈快。充電時間常數(shù) 和電容上的電壓可分別用下式表達: (1)rc (2)1 (rcteuudcc充電回路的時間常數(shù) 決定了電容器能否被充分充電，也就是在 mosfet導(dǎo)通前電容器上的電壓是否達到穩(wěn)態(tài)。通常電容器充電到它穩(wěn)態(tài)值的 95%，就認為充電完成，即所需的充電時間大約為 3。因此，在

33、選擇充電電阻 rt 時，使 rc 回路的時間常數(shù)遠小于電路中所給的充電時間，使電容得到充分充電。對于上述的仿真電路，mosfet 工作頻率為 50hz，占空比 50%，則充電時間為10ms。這對于充電電阻為 2m 和電容為 100pf 的 rc 回路來講，其時間常數(shù)為0.2ms，充電時間遠大于時間常數(shù) ，顯然電容器可充分充電，這與仿真結(jié)果相一致。2）電容 c 和電感 l由脈沖發(fā)生器的工作原理圖可知，高壓脈沖是由后面的振蕩回路產(chǎn)生，其固有的振蕩頻率的計算公式為(3)lcf21由此可知，其固有的振蕩周期決定了脈沖脈寬的大小，故本文采用調(diào)節(jié) lc振蕩的固有周期的方法來實現(xiàn)對脈沖寬度的調(diào)節(jié)。在實際的制

34、作過程中采用固定電容值，調(diào)節(jié)回路中電感量來實現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)節(jié)。然而，在實際的過程中，當電容首次向電感放電的過程中，電感上的電壓并不是按照振蕩的原則上升，而是快速上升，故所得到的脈沖寬度比理論上的振蕩波的脈寬小的多，這與上述的仿真結(jié)果相符。此外，由于所形成的脈沖很窄，其相應(yīng)的 lc 振蕩回路的參數(shù)都很小，輸出電感上的分布電容會對原有振蕩回路的參數(shù)產(chǎn)生影響，從而對脈沖波形造成一定的影響。但是，通過選擇合適的 l 值可以將電感上的分布電容對 lc 回路的影響減小。因此，對振蕩回路中的 l、c 要選擇合適的值，從而在輸出電感上得到良好的脈沖波形。3）電阻 rv對于振蕩回路的阻尼電阻 rv 來講，其值決

35、定了最終所得到的脈沖波形。如果其值過小，在電感上會產(chǎn)生一系列的振蕩波，即振蕩回路處在欠阻尼狀態(tài)；如果其值過大，即電路處在過阻尼狀態(tài)，則在電感上得到的脈沖，其幅值小，波形發(fā)生畸變。故要選擇合適的阻尼電阻 rv，使得在電感上所得到的脈沖具有納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計幅值大、波形好等優(yōu)點。4.6.2 實驗結(jié)果及分析在經(jīng)過上述的仿真分析和電路中各參數(shù)對波形影響的分析，本文選擇合適的器件研制了一臺納秒級高壓脈沖發(fā)生器，利用帶寬為 200mhz 的 ds 5202ca 型數(shù)字示波器和阻容分壓器（分壓比為 1:3）對其波形進行了測量，下面給出了20ns 和 50ns 的波形如圖 4-18 所示。與仿真所得

36、到的波形相比，其波形的上升慢一些，下降快一些，造成這種現(xiàn)象的原因：在實際上，mosfet 的導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，其導(dǎo)通和關(guān)斷是需要一定的時間，其它相應(yīng)的參數(shù)也有一個變化的過程，并不是象在仿真中所采用的理想?yún)?shù)，從而造成了仿真結(jié)果與實際的波形存在一定的差異。此外，與文獻1所給出的利用電纜傳輸線的原理所得到的脈沖波形相比，這種利用振蕩原理所研制的脈沖發(fā)生器具有波形對稱、光滑、過沖小的優(yōu)點。因此，利用振蕩的原理去研制窄脈沖的一種良好的方法。圖 4-18 20ns 和 50ns 的波形如圖4.7 結(jié)論通過上述的研究，可以得出如下結(jié)論：1）利用振蕩的方法是可以得到 ns 級的高壓脈沖，并且由此方法得到的

37、脈沖具有波形光滑、對稱性好等優(yōu)點。2）采用由高頻開關(guān)電路和脈寬調(diào)制原理制成的直流電源作為脈沖發(fā)生器的電源，可以得到幅值穩(wěn)定的脈沖波形。此外，可以使脈沖發(fā)生器的體積和重量大大降低，并便于攜帶。3）采用 ne555 振蕩器可以實現(xiàn)對開關(guān)的可靠控制。納秒級高壓窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計5 總結(jié)脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)高壓絕緣監(jiān)測、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗方面得到了廣泛的應(yīng)用，如固體絕緣空間電荷分布的測試裝置、超寬帶（uwb）無線電通訊技術(shù)、電火花加工表面粗糙度檢測和除塵技術(shù)等。目前，產(chǎn)生這種納秒級高壓脈沖的方法有兩種：第一，利用波傳輸?shù)脑?，這種方法能得到的脈沖波形電路簡單，易于實現(xiàn)，但波形的對稱性有待提高；第二，通過控制火化間隙放電得到窄脈沖，利用這種方法制成的脈沖源，其脈沖的頻率不易調(diào)節(jié)，脈