延時可控高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計

摘要：將數(shù)字延時及高壓脈沖形成電路結(jié)合在一起構(gòu)成高精度的高壓脈沖發(fā)生器，用于觸發(fā)Marx發(fā)生器及高壓脈沖觸發(fā)裝置，也適用于高壓雷管起爆裝置。以CPU8031為控制核心，采用VE4137A型高電壓、大電流、低抖動、快速氫閘流管構(gòu)成高壓脈沖形成級，MOSFET作為驅(qū)動級。延時可控，延時范圍為10ns至99μs，連續(xù)可調(diào)，數(shù)顯；高壓脈沖幅度為5～30kV，前沿小于16ns，脈寬大于300ns，抖動小于10ns。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖；脈沖發(fā)生器；快速高壓開關(guān)管；延時控制

Design of Controllable Delay High Voltage Pulse Generator

LIU Yun-tao, XIE Min, Gao Ping, etc 

Abstract:A high precision high voltage pulse generator is designed by combining a digital delay and a high voltage pulse generating circuit to trigger Marx generator and high voltage pulse triggering device.The generator can also be used for high voltage detonator initiating device.CPU 8031 is used as the central controller and VE4137A quick hydrogen thyratron with high voltage,large current and low jitter is used as the high voltage pulse generator,and MOSFET is used as the driver.The delay with digital display is controllable in the range of 10ns～ 99μ s.The high voltage pulse amplitude ranges in 5～ 30kV with a front of < 16ns,a pulse width of >300ns and a jitter of < 10ns. 

Keywords:High voltage pulse; Pulse generator; Quick high voltage switching tube; Delay control 

1  引言

    以往研制的高壓脈沖發(fā)生器采用V型管作為高壓脈沖形成級，該管為冷陰極結(jié)構(gòu)形式，一般工作電壓在10～15kV范圍內(nèi)，輸出高壓脈沖相對外觸發(fā)的延時隨直流供電電壓的不同而有較大變化，抖動也較大，且長時間工作后，延時和抖動都要增大。

    用于觸發(fā)Marx發(fā)生器及高電壓脈沖觸發(fā)裝置需要更高的高壓觸發(fā)脈沖，且需在5～30kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有前沿快、延時準確穩(wěn)定、抖動小、抗干擾能力強等性能。

    設(shè)計高壓脈沖形成級是本機的重點，關(guān)鍵是選擇能滿足本機各項技術(shù)指標要求的高電壓、大電流、快速開關(guān)管。

    為了提高觸發(fā)系統(tǒng)的延時精度，采用精度為10ns的數(shù)字延時單元，延時在10ns～99μs范圍，步進10ns，以CPU8031為控制核心的集成電路實現(xiàn)人機對話，增強可靠性和先進性。

    直流高壓供電采用DC／DC變換技術(shù)，封裝在金屬盒內(nèi)，實現(xiàn)了電源小型化，增強了抗干擾能力。

2  發(fā)生器的構(gòu)成及其工作原理

2.1  高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

    延時可控高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，是由外觸發(fā)控制電路、單片機控制電路、延時電路、驅(qū)動電路、直流高壓電路及高壓脈沖形成及輸出電路等組成。

圖1  高 壓 脈 沖 發(fā) 生 器 組 成 框 圖

    外觸發(fā)控制電路是將外觸發(fā)信號通過內(nèi)部的比較器進行電壓比較，再通過光電隔離器使外觸發(fā)信號的地與控制線路的地分開，以屏蔽和減弱外界的電磁干擾及地干擾，增強本機的抗干擾能力。

    單片機控制電路、延時電路是通過單片機實現(xiàn)人機對話，來預(yù)置延時電路的延時時間，達到延時可控目的。

    驅(qū)動電路是將延時電路輸出幅度較低的脈沖信號變?yōu)檩^高幅度的脈沖信號，用以驅(qū)動后級高壓脈沖形成電路。

    直流高壓電路采用DC／DC變換，低壓24V經(jīng)振蕩電路產(chǎn)生頻率較高交流信號，再經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓及多級倍壓輸出5～30kV連續(xù)可調(diào)的直流高壓，為高壓脈沖形成電路供電。

    高壓脈沖形成輸出電路是本機重要部分，主要是形成和輸出負高壓脈沖。

2.2  工作原理

    由鍵盤鍵入所要求的延時時間，通過8031芯片內(nèi)部程序控制延時器所要求的動作時間。當外觸發(fā)信號輸入時，外觸發(fā)控制電路開始工作，輸出一個脈沖信號觸發(fā)延時電路，延時器開始計數(shù)，當達到所設(shè)定的時間時，延時器停止工作，同時輸出一個脈沖信號，觸發(fā)驅(qū)動電路，使驅(qū)動電路輸出一個正脈沖信號，使開關(guān)管S導(dǎo)通，儲能電容C經(jīng)S向負載電阻放電（見圖2），從而在與同軸電纜相匹配的負載上獲得與直流高壓幅度相同，極性相反的高電壓脈沖。

圖2  高 壓 脈 沖 形 成 電 路

3  電路的設(shè)計

3.1  高壓脈沖形成電路設(shè)計

    根據(jù)指標要求，在負載電阻75Ω上，輸出最大幅度Vomax為30kV，前沿tr≤16ns，脈寬T1/2≥300ns的高壓脈沖，則選擇高壓脈沖形成器件是本機設(shè)計的重點。該器件需具有耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、抖動小等特點。

    美國EG＆G公司生產(chǎn)的GP－12B管，工作電壓、電流、前沿均可滿足要求，但抖動較大。國產(chǎn)V型管，耐壓達不到要求，且延遲、抖動較大。

    國產(chǎn)氫閘流管VE4137A陽極峰值電壓33kV，峰值電流1.5kA，前沿≤10ns，抖動≤5ns，是較理想的高壓脈沖形成器件。

    高壓脈沖形成電路如圖2所示。圖中VH為高壓脈沖形成電路的直流供電電源，5～30kV，極性為正、連續(xù)可調(diào)、組件式。

    脈寬主要取決于儲能電容C的大小，按式（1）

         V1/2=Vo   (1)

式中：Vo為輸出高壓脈沖幅度；

      V1/2為Vo的50％，即，V1/2=Vo；

      T1/2為半高寬，即幅度為V1/2時波形的寬度，取T1/2=0.3×10－6s；

     R為負載電阻，75Ω；

     C為放電電容。

    將數(shù)據(jù)代入式（1）并整理得：

       C==5.8nF

    實取C=6.6nF用兩只3300pF/35kV陶瓷電容并聯(lián)。 [!--empirenews.page--]

3.2  單片機延時電路設(shè)計

    儀器的控制核心由CPU8031、大規(guī)模集成電路8155和EPROM2732組成。CPU8031是單片機的核心，它實現(xiàn)人機對話并完成對EPLD（可編程邏輯器件）的初始化和數(shù)據(jù)裝入。8155用作鍵盤和顯示器接口。EPROM2732用于存儲延時同步單元的全部程序，開機后CPU從EPROM2732中讀取指令進行程序控制。延遲時間的輸入，顯示以及EPLD器件初始化的完成在CPU8031的控制下進行。

    根據(jù)儀器指標，要求延時脈沖時間為10ns～99μs，延時精度為10ns，抖動小于10ns。為了解決通道之間的竄擾，時間精度及傳送數(shù)據(jù)要求高等問題，在線路的設(shè)計中選用了Aterla公司的7000系列EPLD，將全部的邏輯電路做在一塊器件中。通過單片機的控制對它進行初始化和數(shù)據(jù)裝入。當觸發(fā)信號到來時觸發(fā)EPLD發(fā)出設(shè)定的延時信號，經(jīng)過模擬放大輸出以驅(qū)動后級電路。

3.3  觸發(fā)電路的設(shè)計及對高壓回竄干擾的抑制

    由于開關(guān)管S導(dǎo)通放電時，產(chǎn)生了高電壓對觸發(fā)電路的反竄干擾及空間電磁波的干擾，使觸發(fā)電路很難正常工作。根據(jù)氫閘流管S導(dǎo)通時反竄到其觸發(fā)控制極上的電壓來設(shè)計氫閘流管觸發(fā)電路，如圖3所示。

圖3  開 關(guān) 管 觸 發(fā) 電 路

    氫閘流管觸發(fā)電路由觸發(fā)延時控制、脈沖變壓器T、高頻阻斷硅堆D、π型濾波器（C2、L、C1）、開關(guān)管的偏置電阻R2及開關(guān)管S等組成。

    外觸發(fā)信號觸發(fā)光電隔離器，經(jīng)觸發(fā)延時控制電路后，輸出約400V的脈沖信號，加到脈沖變壓器T的初級，經(jīng)脈沖變壓器升壓產(chǎn)生1kV以上的脈沖信號，脈寬大于2μs。經(jīng)D、L觸發(fā)S導(dǎo)通后，儲能電容C經(jīng)S向負載電阻R放電，輸出負的高壓脈沖。

    S導(dǎo)通瞬間，在其觸發(fā)控制端產(chǎn)生約（2/3）Uc的高壓脈沖，此信號包含多種頻率成分，既有高頻，又有中頻和低頻。高頻干擾信號通過C1小電容旁路和經(jīng)L大電感來衰減；中頻和低頻干擾信號則由高壓硅堆反向阻斷。這樣通過旁路、衰減及阻斷后到脈沖變壓器T的次級約為百伏的干擾電壓，再經(jīng)T的降壓也就只有幾十伏的電壓，從而解決了S開關(guān)導(dǎo)通反竄到控制電路的干擾。

4  性能指標測試

4.1  高壓脈沖波形

    高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖波形如圖4所示。

圖 4  高 壓 脈 沖 發(fā) 生 器 輸 出 高 壓 脈 沖 波 形

    高壓脈沖輸出經(jīng)TekP6015A1/1000高壓探頭衰減，由TDS774A數(shù)字示波器測量，測試數(shù)據(jù)自動讀出顯示。由圖4可知，高壓脈沖波形光滑無振蕩，下降沿15.7ns，脈寬約300ns。

4.2  主要技術(shù)指標

    表1列出了本機及以往研制的同類產(chǎn)品對應(yīng)的主要技術(shù)性能指標，以對二者進行比較。

表1 高壓脈沖發(fā)生器主要性能指標

    1）高壓脈沖幅度提高1倍且調(diào)節(jié)范圍寬，在5～30kV連續(xù)可調(diào)；

    2）對不同的高壓脈沖相對外觸發(fā)延時基本固定不變；

    3）增加可預(yù)置延時功能，延時10ns～99μs，具有較高的精度；

    4）抖動是高壓脈沖發(fā)生器一個重要指標，本機的抖動很小，而以往研制的抖動很大。

5  結(jié)語

    本機輸出高壓脈沖調(diào)節(jié)范圍寬，從5kV至30kV連續(xù)可調(diào)，可預(yù)置，前沿快、抖動小、延時準確，又增加了可預(yù)置延時，從而拓寬了應(yīng)用范圍，提高了測量精度?？煽匮訒r采用了先進技術(shù)，應(yīng)用單片機，實現(xiàn)了人機對話，操作簡便，增加了可靠性，且具有先進性。

    高壓脈沖形成級采用高壓大電流，快前沿、低抖動、長壽命快速氫閘流管，在設(shè)計上留有較大余量，確保運行可靠。

    采用光耦、變壓器隔離、地隔離、多層金屬屏蔽等措施，對抑制高壓放電產(chǎn)生的電磁干擾以及地電流干擾有明顯效果；對高壓開關(guān)管導(dǎo)通瞬間在觸發(fā)驅(qū)動級產(chǎn)生的多種頻率成分的高壓回竄強干擾，采用旁路、衰減、阻斷等相應(yīng)的有效方法，保證了觸發(fā)電路的正常工作。

    該機已交付使用，所有技術(shù)指標均符合和滿足設(shè)計規(guī)定的指標及使用要求，長期運行工作穩(wěn)定可靠。