高压脉冲阻容分压器的设计

高压脉冲阻容分压器的设计

摘要：在介绍阻容分压器基本原理的基础上，分析了脉冲信号时间与阻容分压器测量系统时间常数的关系。建立分压器的等效电路图，对测量系统进行仿真分析，分析表明阻容分压器中的寄生电感和电容对分压器的影响较大，当他们达到一定的程度会使系统输出波形的振动剧烈，上升时间变长，输出波形失真[1]。电容器中的电阻对分压器的性能有一定的影响，在设计高压脉冲阻容分压器时要适当给予考虑。通过改变等效电路中的各个参数，分析不同参数对分压器测量性能的影响，对分压器的结构进行优化。

关键词：分压器；阻容分压器；电压测量；响应时间；

Design of the Capacitor Divider for Measuring of High

V oltage Pulse

Student majoring in agriculture electrification and automation Shen Jinyu

Tutor Chen Weifeng

Abstract：The relation between the pulse signal’s and the measurement system’s time constant of resistance-capacitance voltage divider are analyzed on the base of the introduction of fundamental principle of resistance-capacitance voltage divider. Equivalent circuit of the voltage divider is established in order to simulate the measurement system, the simulation analysis showed that the resistance and capacitance in the capacity have greater effect on resistance-capacitance voltage divider .The output waveform of the system will vibrate intensively ,the rising time will become longer ,and the output waveform will be distorted when they reach a certain extent .The resistance of the capacity has a certain influence on the function of voltage divider which should be considered in designing a high voltage pulse capacity voltage divider .The voltage divider’s structure can be optimized by changing the circuit’s parameters and analyzing the influence of different parameters. The voltage ratio of the designed capacitance voltage divider is 2100.

Key words：potentiometer；resistance-capacitance voltage divider；measure；response time

绪论

1).研究分压器的功能和意义

将高压信号转换为示波器所能测量的低压信号，在整个测试系统中占有重要地位，分压器的性能好坏直接影响测试系统的整体性能的好坏。分压器作为转换装置，是冲击测量系统常用的主要组成部分之一。它的作用是把几万伏或几十万伏的冲击高电压转换成示波器等记录仪能够测量的低电压。老式的高电压示波器最高能施加1KV-2KV,而通用的数字存储示波器一般只能加上几十伏或几伏，所以要通过高压分压器把高电压转换成几十伏或几伏的电压才可以输入同轴电缆上，通过同轴电缆把几百毫伏至几十伏电压传送到数字示波器上进行测量。2).脉冲分压器测量应满足的要[2]

（1）将被测电压波形的各部分按比例缩小后，波形无畸变；

（2）分压比恒定，在适用范围内，不随大气条件或被测电压的波形、频率、幅值等因素而变；

（3）分压器的接入对被测电压过程影响应微小到容许程度。

此外，分压器所消耗的电能应不大。在一定的冷却条件下，分压器消耗的电能所形成的温升不应引起分压比的改变。分压比在一定频带范围内应与被测电压的频率和幅值无关。

3).设计的思路

在参阅相关文献资料的基础上，立足现有的实验条件、设备条件提出初步的设计方案，按照方案建立等效电路图进行仿真,分析仿真结果,确定分压器的参数。随后进行焊接，工艺和结构优化，最终达到预期的要求和目标。

主要的工作内容包括:

1.理论分析,建立模型

2.电路仿真,确定参数

3.实物制作,试验验证

4.结果分析,不断改进

1 脉冲测量技术

电磁脉冲测量，包括脉冲电场、脉冲磁场、脉冲电压及脉冲电流的测量。由于电磁脉冲信号是上升时间仅几个纳秒、持续时间几十纳秒至几个毫秒的极高强度的瞬态信号，其频谱覆盖了零到几百兆赫的频带，因而要求测量系统具有与之相适应的频率响应范围，且既不能对被测环境产生明显的影响，又要具有较强的抗干扰能力。

1.1 脉冲电压的测量

测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。

脉冲分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容串联分压器[3]。电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10kΩ，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关。

微积分测量系统[4]（Differentiating-Integrating measuring systems, 简称D/I系统），是20世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的。D/I 系统的优点是：对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。其缺点是对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。光电测量系统是利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。其中利用光纤