高压脉冲信号源设计

关键词 : 校准 ; 高压脉冲信号源 ; 电路设计
中图分类号 : TM93312 文献标识编码 : B
文章编号 : 1674 - 5795 ( 2009) 01 - 0018 - 03
D esign of H igh2voltage Pulse Source FAN Rong, ZHAN G Long
脉冲信号发生器电路的特点是驱动能力强 , 脉宽 和周期可独立设定 。 213 调制电路
将高压直流信号与脉冲信号通过一个开关管进行 调制合成 , 即可以得到满足要求的高压脉冲信号 , 电 路原理如图 4 所示 。光电耦合器主要起驱动开关管和 高低压隔离的作用 。R15阻值的选择应根据光电耦合器 二极管工作电流 IF (一般为 10 mA ) 来确定 , 确保光 电耦合器传输正常 , Vout1输出正电压值为 10 V 左右 , 所以 R15为 1 kΩ; R16的阻值和功耗要考虑高压直流信 号的幅值和光电耦合器的传输比 , 既要 R16不过流击 穿 , 又要使光电耦合器输出端电压降处于正常范围 , 不致烧毁 , 所以选 R16的阻值为 1214 kΩ。VT2 为高压 开关管 , 在选取时应考虑其耐压值和功率 , 本电路中 选用 3DK35F, 其功率为 15 W , VCBO和 VCEO均为 200 V。 为了保护开关管 , 防止输出短路时造成器件过流损坏 , 图 4中的 R18是一个 PTC器件 , 其特点是当流过的电流 小于额定电流时 , 导通电阻很小 , 而当过流时 , 电阻 变得很大 , 使工作电流迅速降低 , 直至切断输出 , 当 短路状态去除时 , 又恢复输出 , 从而保护开关管 , 使 其不会被过流损坏 。
214 实测验证方法及验证结果 按以上设计思路进行了高压脉冲信号源的研制 ,
在实验室对该高压脉冲信号源的各项指标进行了测试 。 测试时使用泰克公司的 TDS3054 数字示波器对该信号 源的输出进行监测 , 3054示波器 CH1通道设置为电压 值 20 V 每格 , 时间轴 200 m s每格 。 TDS3054示波器电 压幅值的测量精度为 2% , 为验证高压脉冲信号源电压 输出的准确度 , 另用协力公司的 XL4VPDT数字表监测 信号幅值 , 该表的电压测量精度为 015%。高压脉冲信 号源的前面板如图 5 所示 ; 图 6 为示波器所测的高压 脉冲信号源输出测试波形 , 输出信号电压幅值为 8010 V , 正脉冲宽度为 70101 m s, 周期为 75010 m s; 图 7为 XL4VPDT数字表测试的电压值 , 显示电压值为 7919 V , 高压脉冲信号源的输出满足设计指标要求 。
新技术新仪器 · 19·
211 高压直流产生电路 高压直流 产生 电路 的功能 是将 输入 的低 压直 流
(如 24 V ) 经过变换成为幅值满足输出要求的高压直 流 (如 80 V ) 。实现原理为 : 采用逆变电路将低压直 流变换为高频脉冲信号 , 再通过脉冲升压变压器将电 压幅值提升到输出电压所需的幅值 , 然后对高压脉冲 信号进行整流 、滤波和稳幅 , 形成高压直流信号 , 而 当低压直流幅值调整时 , 高压直流信号幅值即可实现 在要求范围内的调整 。
( The 705 th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xiπan 710075, China)
Abstract: This paper introduces the design idea and imp lementation method of a kind of high2voltage pulse source1 It solves the p roblem that there is no standard source for calibrating some special testing equipment1A t the same time, It p rovides a reference for solving these sim ilar p roblem s1
SG1524的内部基准电源 Vref (16脚输出 ) 5V 经过 电阻 R3 , R4 分压后为 215V , 输入到其内部误差放大 器 EA 的同相输入端 (2脚 ) 。输出高压经 R1 , R2 取样 后输入到其内部误差放大器 EA 的反相输入端 ( 1脚 ) , 当输出电压降低时 , SG1524内部误差放大器的反相输 入电压减小 , 使输出脉冲的占空比变大 , VT1 管的导 通时间变长 , 从而使输出电压能回到原来的稳定值 , 反之亦然 。
由 NE555构成一个多谐振荡器 , 其充 、放电回路 独立 , RP1 , RP2可分别调节充 、放电时间常数 , 以实现 输出脉冲脉宽和周期的独立调节 。电路的充 、放电时 间常数为 T1 = 11098 ( R13 + RP1 ) C5 ; T2 = 11098 ( R14 + RP2 ) C6 。为满足脉宽和周期的要求 , R13取值为 56 kΩ , R14取值为 576 kΩ , RP1和 RP2分别为 20 kΩ 和 100 kΩ 的电位器 , C5 , C6 均为 1μF, 为提高频率稳定性 , C5 , C6 可选用 I类瓷介电容 。
2 高压脉冲信号源的电路设计与实现
高压脉冲信号源的原理如图 1 所示 。其基本原理
计测技术
是 : 220 V , 50 Hz标准交流电源经 AC /DC电源模块首 先转换成后续电路所需的直流电压 (如 24V , 12V ) , 高压直流产生电路将输入的低压直流变换为满足输出 要求的高压直流信号 ; 脉冲信号发生器则产生满足输 出规定要求的连续脉冲 ; 脉冲信号对高压直流信号进 行调制后合成为高压脉冲信号 。
高压直流产生电路的电路原理图如图 2所示 。
图 1 高压脉冲信号源原理图
图 2 高压直流产生电路原理图
SG1524是美国硅通用公司 ( SiliconGeneral) 生产 的双端输出式脉宽调制器 , 工作频率高于 100 kHz, 工 作电压为 8～40 V , 常用于构成逆变电路 。
1) 振荡频率的确定 SG1524开关频率由 SG1524的 6脚 、7脚外接电容 器 Ct 和 外 接 电 阻 器 Rt 决 定 , 其 值 约 为 ft = 1118 / (Rt Ct ) 。Rt 的取值范围为 118～100 kΩ , Ct 为 01001～ 011μF, Rt , Ct 的实际取值为 2 kΩ 和 0100374 μF。由 于 SG1524内的触发器有二分频作用 , 故其输出信号频 率 f = ft /2 = 7819 kHz。 2) 补偿网络的确定 管脚 9为补偿端 , 此处接上 R C补偿网络给电路 引入一个零点来抵消电路输出滤波器中的极点 , 从而 消除掉电路寄生振荡 , 电阻 、电容的取值分别为 4214 kΩ和 01001μF。 3) 输出电压稳定的实现
实际结构的沿程压力损失会由于 l / d 值的减小而 大大减小 , 由 26834 Pa减小到了 13244 Pa, 但增加了 两处的局部压力损失 , 共 5354 Pa, 总体来说 , 沿程压 力损失的减小是主要的 。因此 , 实际的环道内流速度 比简化结构要高 , 修正后的环道内流马赫数为 01769, 流速为 410 m / s, 计算过程从略 。
某型高压脉冲信号测试设备 (以下简称检查台 )
收稿日期 : 2008 - 08 - 25; 收修改稿日期 : 2008 - 10 - 13 作者简介 : 樊荣 (1971 - ) , 女 , 高级工程师 , 从事计量测试技 术工作 。
的校准是作者在实际工作中遇到的诸多类似情况的一 个 , 校准检查台时需对一个高压 ( 80 V ) 的连续脉冲 信号 (占空比不是 1 ∶1) 进行测试 , 以确定该检查台 是否能准确测定该信号的脉宽和周期 。在该检查台的 校准规程中规定检查此项目时应使用标准的合成信号 源或真实产品 , 现实情况是由于没有合适的标准信号 源 , 因而在每次校准时都使用真实产品 。本文针对检 查台的校准需求 , 提出了能满足其校准要求的高压脉 冲信号源的设计思路和实现方式 。
经计算 , 所设计的 K型参考温度传感器在 T0 = 1000 K时 , 总测温误差为 0134% , 由于篇幅所限 , 计
脉冲信号发生器的主要功能是产生脉宽和周期满
· 20· 新技术新仪器
足输出要求的脉冲信号 , 用于对高压直流信号进行调 制 。为保证脉宽和周期独立性 , 设计了脉宽和周期的 独立调整电路 , 电路原理如图 3所示 。
2009年第 29卷第 1期
图 4 调制电路原理图
图 3 脉冲信号发生器电路原理图
1 高压脉冲信号源的设计准则
由于高压脉冲信号源的设计是为了满足用户的单 一使用要求 , 因此在设计时要考虑其性能可靠 , 操作 简便 , 同时其自身也必须便于校准 , 即通过普通标准 仪器能够实现其校准 。
高压脉冲信号源的主要技术指标包括输入和输出 两部分 , 输入为标准 220 V 交流电源 , 输出为一高压 连续脉冲信号 , 具体要求为 : 输出电压幅值为 75 ～ 90 V可调 , 电压准确度为 ±1% ; 周期为 700 ～800 m s 可调 , 准确度为 ±1% , 正脉冲脉宽为 60 ～80 m s可 调 , 准确度为 ±1%。
Key words: calibration; high2voltage pulse source; circuit design
0 引言
专用测试设备往往是为了对某一特定的产品进行 功能及性能测试而设计的 , 作为测试设备的一种 , 它 也需要进行周期性的校准和标定 。专用测试设备的校 准通常是用标准仪器设备来完成 , 其量值应当能够溯 源到国防最高计量标准或国家计量标准 , 但有些设备 由于其功能和性能的特殊性 (如某型高压脉冲信号测 试设备需测试高压脉冲信号 ) , 不具备相应的通用仪 器 , 因此无法使用通用仪器进行校准 , 其量值也无法 向国防最高计量标准或国家计量标准溯源 。在实际使 用中 , 对这些功能性能的校准和检测多数是采用制式 产品 (其实就是一个真实的产品 ) 来校准专用测试设 备的 。这种方法在生产任务紧的情况下是一个折中方 法 , 是不得已的 “悖论 ”措施 (设备本是用来检测产 品的 , 现在却用产品来校准设备 ) 。在产品和测试设备 都已交付的情况下 , 为便于用户使用 , 专用测试设备 的设计单位就应考虑设计相应的校准设备 , 以改变原 来依靠产品实现校准的状况 , 满足校准溯源性的要求 。
图 5 高压脉冲信号源
图 6 高压脉冲信号源输出测试
(下转第 27页 )
计测技术
新技术新仪器 · 27·
计算结果进行修正 。 为了使偶丝附近的屏蔽罩温度足够高 , 从而进一
步减小辐射误差 , 在偶丝伸出部位的环道设计成缩口 形状 。实际的参考温度传感器头部示意图如图 4所示 。
图 4 现场 K型双屏吹气偶头部结构示意图
脉冲升压变压器的工作频率为 60～70 kH z, 以适 应 SG1524的开关频率 ; 变比根据 SG1524 工作电压 和输出电压进行设计 , 当工作电压为 24 V , 输出电 压为 80 V 时 , 其变比 N 设计为 313 ～315。V2 , C4 , R12构 成 半 波 整 流 和 平 滑 电 路 , 使 输 出 为 高 压 直 流 信号 。 212 脉冲信号发生器
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2009年第 29卷第 1期
高压脉冲信号源设计
樊Hale Waihona Puke Baidu , 张龙
(中国船舶重工集团公司第 705研究所 , 陕西 西安 710075)
摘 要 : 提出了一种高压脉冲信号源的设计思路和实现方法 , 它解决了在某些专用测试设备校准中无可用的
标准信号源问题 , 也为其他类似问题的解决提供了参考 。