延時(shí)可控高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘要：將數(shù)字延時(shí)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(dòng)、快速氫閘流管構(gòu)成高壓脈沖形成級(jí)，MOSFET作為驅(qū)動(dòng)級(jí)。延時(shí)可控，延時(shí)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(dòng)小于10ns。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖；脈沖發(fā)生器；快速高壓開(kāi)關(guān)管；延時(shí)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(jí)，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(duì)外觸發(fā)的延時(shí)隨直流供電電壓的不同而有較大變化，抖動(dòng)也較大，且長(zhǎng)時(shí)間工作后，延時(shí)和抖動(dòng)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(shí)準(zhǔn)確穩(wěn)定、抖動(dòng)小、抗干擾能力強(qiáng)等性能。

    設(shè)計(jì)高壓脈沖形成級(jí)是本機(jī)的重點(diǎn)，關(guān)鍵是選擇能滿(mǎn)足本機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求的高電壓、大電流、快速開(kāi)關(guān)管。

    為了提高觸發(fā)系統(tǒng)的延時(shí)精度，采用精度為10ns的數(shù)字延時(shí)單元，延時(shí)在10ns～99μs范圍，步進(jìn)10ns，以CPU8031為控制核心的集成電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，增強(qiáng)可靠性和先進(jìn)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(shí)現(xiàn)了電源小型化，增強(qiáng)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(shí)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(jī)控制電路、延時(shí)電路、驅(qū)動(dòng)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(hào)通過(guò)內(nèi)部的比較器進(jìn)行電壓比較，再通過(guò)光電隔離器使外觸發(fā)信號(hào)的地與控制線路的地分開(kāi)，以屏蔽和減弱外界的電磁干擾及地干擾，增強(qiáng)本機(jī)的抗干擾能力。

    單片機(jī)控制電路、延時(shí)電路是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，來(lái)預(yù)置延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間，達(dá)到延時(shí)可控目的。

    驅(qū)動(dòng)電路是將延時(shí)電路輸出幅度較低的脈沖信號(hào)變?yōu)檩^高幅度的脈沖信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)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(hào)，再經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓及多級(jí)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(jī)重要部分，主要是形成和輸出負(fù)高壓脈沖。

2.2  工作原理

    由鍵盤(pán)鍵入所要求的延時(shí)時(shí)間，通過(guò)8031芯片內(nèi)部程序控制延時(shí)器所要求的動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，外觸發(fā)控制電路開(kāi)始工作，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)延時(shí)電路，延時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，延時(shí)器停止工作，同時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)，使開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C經(jīng)S向負(fù)載電阻放電（見(jiàn)圖2），從而在與同軸電纜相匹配的負(fù)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(jì)

3.1  高壓脈沖形成電路設(shè)計(jì)

    根據(jù)指標(biāo)要求，在負(fù)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(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該器件需具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)速度快、抖動(dòng)小等特點(diǎn)。

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

    國(guó)產(chǎn)氫閘流管VE4137A陽(yáng)極峰值電壓33kV，峰值電流1.5kA，前沿≤10ns，抖動(dòng)≤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(chǔ)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(shí)波形的寬度，取T1/2=0.3×10－6s；

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

3.2  單片機(jī)延時(shí)電路設(shè)計(jì)

    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(jī)的核心，它實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話并完成對(duì)EPLD（可編程邏輯器件）的初始化和數(shù)據(jù)裝入。8155用作鍵盤(pán)和顯示器接口。EPROM2732用于存儲(chǔ)延時(shí)同步單元的全部程序，開(kāi)機(jī)后CPU從EPROM2732中讀取指令進(jìn)行程序控制。延遲時(shí)間的輸入，顯示以及EPLD器件初始化的完成在CPU8031的控制下進(jìn)行。

    根據(jù)儀器指標(biāo)，要求延時(shí)脈沖時(shí)間為10ns～99μs，延時(shí)精度為10ns，抖動(dòng)小于10ns。為了解決通道之間的竄擾，時(shí)間精度及傳送數(shù)據(jù)要求高等問(wèn)題，在線路的設(shè)計(jì)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(guò)單片機(jī)的控制對(duì)它進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)裝入。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)觸發(fā)EPLD發(fā)出設(shè)定的延時(shí)信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬放大輸出以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。

3.3  觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及對(duì)高壓回竄干擾的抑制

    由于開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通放電時(shí)，產(chǎn)生了高電壓對(duì)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(shí)反竄到其觸發(fā)控制極上的電壓來(lái)設(shè)計(jì)氫閘流管觸發(fā)電路，如圖3所示。

圖3  開(kāi) 關(guān) 管 觸 發(fā) 電 路

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

    外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)光電隔離器，經(jīng)觸發(fā)延時(shí)控制電路后，輸出約400V的脈沖信號(hào)，加到脈沖變壓器T的初級(jí)，經(jīng)脈沖變壓器升壓產(chǎn)生1kV以上的脈沖信號(hào)，脈寬大于2μs。經(jīng)D、L觸發(fā)S導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容C經(jīng)S向負(fù)載電阻R放電，輸出負(fù)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(hào)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(hào)通過(guò)C1小電容旁路和經(jīng)L大電感來(lái)衰減；中頻和低頻干擾信號(hào)則由高壓硅堆反向阻斷。這樣通過(guò)旁路、衰減及阻斷后到脈沖變壓器T的次級(jí)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通反竄到控制電路的干擾。

4  性能指標(biāo)測(cè)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(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)讀出顯示。由圖4可知，高壓脈沖波形光滑無(wú)振蕩，下降沿15.7ns，脈寬約300ns。

4.2  主要技術(shù)指標(biāo)

    表1列出了本機(jī)及以往研制的同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)，以對(duì)二者進(jìn)行比較。

表1 高壓脈沖發(fā)生器主要性能指標(biāo)

    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(duì)不同的高壓脈沖相對(duì)外觸發(fā)延時(shí)基本固定不變；

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

    4）抖動(dòng)是高壓脈沖發(fā)生器一個(gè)重要指標(biāo)，本機(jī)的抖動(dòng)很小，而以往研制的抖動(dòng)很大。

5  結(jié)語(yǔ)

    本機(jī)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(dòng)小、延時(shí)準(zhǔn)確，又增加了可預(yù)置延時(shí)，從而拓寬了應(yīng)用范圍，提高了測(cè)量精度?？煽匮訒r(shí)采用了先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，操作簡(jiǎn)便，增加了可靠性，且具有先進(jìn)性。

    高壓脈沖形成級(jí)采用高壓大電流，快前沿、低抖動(dòng)、長(zhǎng)壽命快速氫閘流管，在設(shè)計(jì)上留有較大余量，確保運(yùn)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(duì)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(duì)高壓開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間在觸發(fā)驅(qū)動(dòng)級(jí)產(chǎn)生的多種頻率成分的高壓回竄強(qiáng)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(jī)已交付使用，所有技術(shù)指標(biāo)均符合和滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的指標(biāo)及使用要求，長(zhǎng)期運(yùn)行工作穩(wěn)定可靠。