纳秒级高压窄脉冲发生器的设计.doc

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1、纳秒级高压窄脉冲发生器的设计【摘 要】脉冲技术在电力系统高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面得到了广泛的应用，如固体绝缘空间电荷分布的测试装置、超宽带（UWB）无线电通讯技术、电火花加工表面粗糙度检测和除尘技术等。目前，产生这种纳秒级高压脉冲的方法有两种：第一，利用波传输的原理，这种方法能得到的脉冲波形电路简单，易于实现，但波形的对称性有待提高；第二，通过控制火化间隙放电得到窄脉冲，利用这种方法制成的脉冲源，其脉冲的频率不易调节，脉冲波形不稳定。在本文中，研制的便携式纳秒级高压脉冲发生器中，以RLC振荡电路替换RC充电电路，通过控制MOSFET的导通和关断，使振荡回路中的电感

2、上产生高压脉冲。所制成的是一种高压窄脉冲发生器，具有输出脉冲宽度在20ns100ns可调，输出电压幅值在5001000 V可调，且具体积小、重量轻、脉冲频率可调等优点。关键词：高压窄脉冲；RLC振荡；纳秒级；NEC555目录1 引言32 脉冲发生器的种类和各自的优缺点52.1 高压脉冲发生器52.1.1 高压脉冲发生工作原理52.1.2 高压脉冲形成电路52.1.3 高压脉冲发生器的优缺点62.2 毫微秒脉冲发生器62.2.1 毫微秒脉冲发生器的原理72.2.2 毫微秒脉冲发生器的优缺点82.3 基于单片机的高压脉冲发生器82.3.1 基于单片机的高压脉冲发生器原理92.3.1 基于单片机的高

3、压脉冲发生器的优缺点102.4 超短脉冲发生器102.4.1 超短脉冲发生器原理102.4.2 超短脉冲发生器的原理122.4.3 超短脉冲发生器的优缺点132.5直接耦合式高压脉冲电源132.5.1 直接耦合式高压脉冲电源原理142.5.2 直接耦合式高压脉冲电源优缺点152.6 利用MOSFET 产生纳秒级窄脉冲（半导体器件为开关）153 集成555定时器的介绍173.1 555定时器的电路结构与工作原理173.2 555定时器内部结构简化图183.2.1 分压器：183.2.2 比较器183.2.3 基本RS触发器193.2.4 放电器与输出缓冲器193.3 集成555定时器的引脚介绍2

4、03.4 集成555定时器构成的多谐振荡器213.4.1 多谐振荡器电路的构成213.4.2 振荡频率的估算223.4.3 多谐振荡器的功能及应用234 纳秒级高电压脉冲发生器的主电路设计及试验结果244.1 高压脉冲装置的组成244.1.1 直流稳压电源部分244.1.2 高压脉冲成形电路254.2 产生的脉冲形状及分析以及对此发生器的评价274.3 开关电路的设计与试验284.4开关驱动电路设计324.4.1开关驱动电路324.5 主回路电路设计334.5.1 电路的仿真分析344.6 电路参数的确定及实测结果354.6.1 电路参数对波形影响的分析354.6.2 实验结果及分析374.7

5、 结论375 总结38致谢39参考文献40附录411 引言最近几年，随着科学技术的发展，人们研制出了新的测试技术，以迎接业界新标准快速发展所带来的挑战，例如各种信号发生器，半导体和通信技术，脉冲测试技术在许多领域中得到了广泛应用。比如高压脉冲发生器在实际生活中被得以广泛的应用。在静电除尘方面，脉冲供电技术是静电除尘中一种先进的供电方式；在通信领域，被用于超宽带UWB无线通信技术；还用于测量空间电荷的分布；在食品灭菌领域，高压脉冲电场杀菌是一种全新的非热处理杀菌方法；以及在医疗领域，可利用体外高电压脉冲放电产生震波来粉碎人体内的结石；当然，高压脉冲发生器也可应用于一些储能设备中高压脉冲放电开关的

6、触发，引爆高压火花隙雷管等场所。毫微秒脉冲发生器在电子能谱测量的飞行时间（TOF）技术中有着重要的应用。基于单片机的高压脉冲发生器，在产生脉冲宽度、脉冲个数、脉冲电压强度均需要调节的高压脉冲电场中有着广泛应用。而对于超高分辨率雷达、扩频通信技术以及其它许多需要宽带辐射的应用来说，超短脉冲发生器是十分重要的，从某种程度上来讲，超短脉冲的形成技术已成为许多宽带应用中的核心技术。在静电除尘中脉冲供电等技术是一种先进的供电方式，而开关元件是脉冲装置的关键部件。高压脉冲电源种类有多种，按高压脉冲电源的实现的方法其可分为机械开关式，高压固态开关式，和Marx网络（Marx发生器）等。其中高压固态开关式，和

7、Marx网络可实现纳秒级的窄脉冲和很高的脉冲频率。集成555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，是一种将模拟功能和逻辑功能集成在同一硅片上的单片时基电路。该集成电路是美国Signetics公司在1972年推出并投放市场的，目前世界上几乎所有的半导体厂家都有同类产品，而且型号上都有“555”三个字（例如国产的FX555，5G555，J555及国外的A555，NE555等）。集成555定时器使用灵活方便，只需外接少量的电阻和电容元件，就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，可以应用于仪器、仪表、自动装置、防火防盗报警器、民用电子产品等。多谐振荡器则巧妙地运用了电容的冲放电及与非门的

8、通断条件把直流电转换成脉冲信号，此脉冲信号经放大，再经变压器变压可实现直流电转换成交流电。根据555定时器的功能特性，利用电容的充电需要一定的时间，经元件组合，可成为一个定时智能电路，如门铃，以及其它智能开关报警器等。自从Takada教授在1983年提出的电声脉冲法，现已发展成为研究固体介质中空间电荷分布的一种成熟的测量技术，其基本原理是受电脉冲作用的介质试样内部有空间电荷存在，故会产生不均匀形变，测量声信号可从中得到空间电荷分布的信息，测量灵敏度及分辨力与电脉冲的形状密切相关，故电压脉冲发生器为该装置的关键部件，但传统的电压脉冲发生器由火花间隙产生电脉冲，其缺点是脉冲频率不易调节，脉冲波形易

9、变化。在本论文中介绍介绍了一种体积小，重量轻的新型ns级电压脉冲发生器，它可用于电声脉冲法测量空间电荷的试验装置中，该发生器采用以开关电路为基础的电源代替原来的工频整流电源，以湿簧管代替火花间隙，使得电源的重量下降到原来的体积也大缩小D经试验可输出脉冲宽度为20ns幅值最高为2000V的可调纳秒级脉冲电压。本论文主要研制的是高压ns 级高压脉冲发生器，开关电路的设计是本文研究的重点。采用由高频开关电路和脉宽调制原理制成的直流高压电源，代替传统的由工频高压变压器和整流电路制成的直流电源作为脉冲发生器电源，使输出的直流电压基本不受电网波动而波动,从而得到稳定的直流电压。并且以RLC 振荡电路作为主

10、电路, 通过控制开关电路的导通和关断,使振荡回路中的电感上产生高压脉冲。该脉冲发生器具有输出脉冲宽度20100 ns 可调、最高输出电压1000 V 、体积小、脉冲频率可调等优点。2 脉冲发生器的种类和各自的优缺点 脉冲发生器的种类很多，用途广泛，本章节主要介绍五种发生器，即高压脉冲发生器，毫微秒脉冲发生器，基于单片机的高压脉冲发生器，2.1 高压脉冲发生器随着科学技术的发展，各种信号发生器己在许多领域中得到了广泛应用。这里所介绍的高压脉冲发生器可应用于一些储能设备中高压脉冲放电开关的触发，引爆高压火花隙雷管等场所。由于高压脉冲发生器可以被其它信号产生器触发，且在高压脉冲产生的同时有一路输出幅

11、度较低与它只有几个ns延迟的同步信号输出，因此在某些要求进行时间控制的场合更为适用。另外此高压脉冲发生器有一路直流高压输出，也可作为高压充电电源对高压储能电容充电。2.1.1 高压脉冲发生工作原理高压脉冲发生器主要由低压电源、高压组件、高压脉冲形成、触发控制电路、同步信号输出、触发指示电路六部份组成。（如图2-5）所示。图2-5 高压脉冲发生器方框图2.1.2 高压脉冲形成电路高压脉冲形成电路包括储能电容、触发管、限流电阻等几部分。图2-6 高压脉冲电路高压组件通过限流电阻R13对储能电容C9充电，触发时触发控制电路输出的触发脉冲使触发管导通，储能电容通过触发管、负载放电，产生一负高压脉冲。2

12、1.3 高压脉冲发生器的优缺点优点：高压脉冲发生器可以被其它信号产生器触发，且在高压脉冲产生的同时有一路输出幅度较低与它只有几个ns延迟的同步信号输出，所以在某些要求进行时间控制的场合比较适用。另外此高压脉冲发生器有一路直流高压输出，也可作为高压充电电源对高压储能电容充电。缺点：高压脉冲的延迟是指从外触发输入到高压脉冲输出这段时间内各部分电路延迟时和，容易引起引起高压脉冲延迟和晃动。高压脉冲的晃动是指任意两次高压脉冲之间的时间差。原因有多方面，主要包括触发控制电路和触发管产生的延迟和晃动。高压脉冲形成电路中触发管前级的电路引起的脉冲晃动较小，而触发管的阳极高压对晃动的影响则较为明显。另外触发

13、控制电路产生的延迟较稳定，而触发管的阳极高压对延迟的影响较大，因此在使用过程中，特别是对于高压脉冲输出信号有严格的的时间要求时，应根据需要合理选择高压，以减小高压脉冲的延迟和晃动带来的误差。 2.2 毫微秒脉冲发生器毫微秒脉冲发生器在电子能谱测量的飞行时间（TOF）技术中有重要的应用。由于需要定时，TOF谱仪必须使用脉冲电子束，采用把脉冲偏转系统产生的高能脉冲电子束打在二次电子靶上，产生宽能区的二次脉冲电子谱， 需要在TOF谱仪偏转系统上加毫微秒脉冲，实现对脉冲电子束的调制。为了获得TOF谱仪测量需要的高能脉冲电子束，本文利用晶体管的雪崩特性设计制作可以按需要改变输出脉冲宽度的毫微秒脉冲发生器

14、2.2.1 毫微秒脉冲发生器的原理晶体管工作在雪崩状态可以产生大幅度、毫微秒上升时间的高速脉冲。图2-7是利用晶体管的雪崩特性设计的脉宽由成形电缆决定的毫微秒脉冲电路。利用此简单的雪崩电路和通用脉冲发生器可获得上升时间1ns、50负载下最大输出脉冲幅度35V、脉冲成形宽度20ns、最大重复频率60kHz的毫微秒脉冲，其输出波形如图2-8 所示。图2-7 毫微秒脉冲电路图2-8 所示脉冲的峰顶及后沿都较差，而且尾部出现5V的伴随脉冲。为克服这些缺陷，设计出如图3所示的两级平行连接的毫微秒脉冲发生器。图2-8毫微秒脉冲电路输出波形图2-9中，通用脉冲发生器输出的上升时间为10ns的正脉冲，经过R

15、1C1，组成的微分网络微分后成为1ns的尖脉冲，从而使静态时处于截止状态的三极管T1产生雪崩。静态时电源对小电容C2充电，使其储存一定量的电荷。雪崩时使T1，处于低阻状态，C2中的电荷极快释放出来。因时间常数较小，因此在输出1端得到的是一个尖脉冲。其上升时间决定于雪崩晶体管的开关性能及与之相关电路的匹配（为0.8-0.9 ns）。脉冲高度取决于电容C2的触发信号到达前的充电电压（可得到10V高度) 。图2-9 通用脉冲发生器在另一路，由T1射极输出的ns正脉冲又成为三极管T2的触发信号，正信号的输人导致T2雪崩， 使作为储能元件的成形电缆DL放出所储电荷，从而在T2 射极产生一正的快前沿脉冲。

16、该脉冲的宽度决定于成形电缆（特性阻抗为50的同轴电缆)的延迟时间T=2DL，而电缆延迟时间为5ns/m，因此可以按需要改变输出脉冲的宽度。2.2.2 毫微秒脉冲发生器的优缺点可以输出两种脉冲。一种是：尖脉冲输出（输出1），上升时间tr，A输入为高电平，即=1（逻辑1），而若使，输出为低电平，即=0（逻辑0），当输入信号使，则=0；若，则=0；若TH，则保持原态。并且得到：不允许输入TH， “1”高（H）低（L）导通高（H）原状态原状态 “0”0.5时q对电路也起到了升压作用。若将输出模式控制端接地，则输出q50%,且q越大，升压作用越强。q为其最大值96%时相当于升压24倍。在此发生器中此电路为升压电路，适当地调节q和n可得到相应的升压；因所需要的功率很小，并且在变压器的副边输出电压远远大于D的压降，故不考虑对仪器效率的影响。考虑到电路复杂性和成本等，选择常用的脉宽调制方式控制开关电源中功率MOS管T。4.1.2 高压脉冲成形电路选择结构简单，性能稳定的传输线储能脉冲发生器电路为ns级脉冲形成电路，用同轴电缆变换和传输脉冲，在负载电阻RH和传输线波阻抗相同的理想匹配时负载上出现矩形脉冲。但通常两者不是严格相同的。当RH时，脉冲呈现