耐射頻高電位電壓測試儀的高頻高壓測量

張志謙

(西安精為電子技術(shù)有限公司，陜西西安710068)

1 引言

自從上世紀八十年代起，等同采用美軍標MILC－39012B編制了國標、國軍標后，由于美軍標中編有“耐射頻高電位電壓”項目內(nèi)容，這個技術(shù)檢測項目在我國逐漸開展起來了。該項目的關(guān)鍵就是解決“耐射頻高電位電壓測試儀”。在項目的技術(shù)規(guī)定中，要求制作儀器能夠輸出頻率為5～7.5MHz，輸出的正弦電壓有效值必須達到1500V以上。由于這樣的要求，使這個項目的難度非常大。因為對這樣的頻率在電子技術(shù)中常使用低電壓，如此高的電壓不見使用，故開發(fā)這個儀器本身就很難，在測量這個高頻高壓上也是很難的。我們在產(chǎn)品的研制過程中，燒毀示波器探頭10多支，在計量部門測試時，由于示波器探頭的高頻效應太差而根本無法測試。為此，伴隨著項目的研發(fā)，我們不斷的從測試技術(shù)上創(chuàng)新，采取多種測試方法。下面，我們將介紹一個“間接測量方法”。同時，采用技術(shù)創(chuàng)新的方法，研制了“耐射頻高電位電壓測試儀專用探頭”，獲得了中國計量院的認可，在中國計量院用“專用探頭”對“耐射頻高電位電壓測試儀”進行了測試。

2 對高頻高壓信號測量采用間接測量法

耐射頻高電位電壓項目從開始起步就伴隨著要進行測量。開始，我們用高壓探頭進行測量。在此過程中，我們燒壞掉不少的示波器高壓探頭。有些探頭，剛放上去，立即就燒毀。為此，我們不斷地摸索，在實踐中找到了多種測量方法。下面，介紹一種我們常用的一種測量方法－間接測量方法。

圖1 高頻電壓電路圖

圖1 是個高頻高壓電路，ù為高頻信號源電壓，C1為負載電容。為了測試C1上的高壓，串入一只電容量比C1大幾百倍電容C2。例如，設定C1=4PF，C2=3200PF;高頻高壓信號源將高壓加在兩個相串聯(lián)的電容上，而且兩個電容的差值非常大。

我們對這個電路進行分析計算:從信號源看去兩個串聯(lián)電容的總等效電容C=C1C2/(C1+C2) (1)

ù、i、ù1、ù2 大寫字母上加一點是復數(shù)表示方法，對交流電路采用復數(shù)電路來計算。根據(jù)歐姆定律有:i=ù/(1/jωС)=jùωС =jùω［C1C2/(C1+C2)］ (2)

(3)、(4)式等號兩邊相除得:ù1/ù2=C2/C1 取幅度得:

(5)式表示，兩個電容器上的電壓比和兩個電容器的電容量成反比。由于C2和C1兩只電容器的電容量差別相當大，所以，C1上的電壓U1為高壓，而C2上的電壓非常小。在上述例子中，C2=3200pF，C1=4pF，故 U1/U2=800，即 U1=800U2。利用這一特點，要測試C1上的高壓，我們可以用X1和X10兩個檔位的低壓通用示波器探頭接在C2上測得其電壓值，乘以800倍計算得到C1上的高壓值。這實際上是將高電壓的測試變成一個低電壓的測試。

3 對于高頻高壓直接測試時遇到的問題

雖然有多種方法能間接測得高壓，但是直接測量高壓總是會遇到。特別是整機在計量部門測試時，會用示波器高壓探頭直接測量。我公司第一次在計量站檢測時，計量局使用了美國泰克公司的P6015A高壓示波器探頭檢測。該探頭的技術(shù)指標如下:頻率帶寬 75MHz，輸入電容 3pF，阻抗100MΩ。儀器很順利通過了計量站的檢測，而且給出了“校準報告”。而且報告顯示，高頻電壓的有效值大于1500V。此后，發(fā)現(xiàn)儀器的電壓示值和實際測量值差別大，對儀器的指示度盤重新進行了刻度。第二次送計量站檢測，計量站未找到原檢測探頭，更換了同型號(仍是美國泰克公司P6015A型探頭)探頭。儀器中高頻高壓的有效值原高于1500V以上的數(shù)值根本看不到了，只能檢測到1050V或更小。這種檢測已大大失準。查其原因，有兩個:①該示波器高壓探頭的輸入電容比較大，查其輸入電容為3.5pF，發(fā)現(xiàn)其它同型號探頭有的輸入電容達到4pF或更大;②該探頭的高頻響應很差。由于這些原因的存在，致使無法檢測到“耐射頻高電位電壓測試儀”的高頻高壓信號。我們儀器的輸出電容約為2.35pF，采用輸入電容為3pF來檢測是極不合適的，相當于給耐射頻高電位電壓測試儀引入了高頻負載，甚至對耐射頻高電位電壓測試儀的工作狀態(tài)造成影響。

4 創(chuàng)新研制了耐射頻高電位電壓測試儀專用探頭

創(chuàng)新研制的“耐射頻高電位電壓測試儀專用探頭”是將本文中介紹的間接測量方法的有關(guān)電原理注入其中形成的。新的專用探頭的輸入電容一般小于2pF。同時，其高頻響應好，能滿足對耐射頻高電位電壓測試儀的高頻高壓信號測量要求，有效地克服了通用高壓探頭高頻測試缺陷。這種專用探頭已獲中國計量院的認可，中國計量院用“耐射頻高電位電壓測試儀專用探頭”對耐射頻高電位電壓測試儀進行了測試，計量院出了XDdj2014－1986號“測試報告”證書。

“測試報告”測試數(shù)據(jù)擇錄如下:

5 “專用探頭”衰減系數(shù)的檢測與分析

今年，國家頒布了《示波器電壓探頭校準規(guī)范》(JJF1437－2013)。當然，這個規(guī)范是講示波器通用探頭，而且通用探頭是依據(jù)直流電壓和脈沖技術(shù)的原理制作的。只要按脈沖參數(shù)嚴格考核，當然就可以保證對交流正弦信號的檢測。我們的專用探頭是按交流電的原理設計制作的。其目的是為了測試“耐射頻高電位電壓測試儀”的交流正弦高頻高壓信號。雖然說這標準中有些測試細節(jié)不適用我們的“專用探頭”。但是，這個標準對直流電壓的衰減系數(shù)的定義的精神是適于我們專用探頭的，我們只需將標準中的直流電壓改為交流電壓即可。對于專用探頭，由于被測對象是交流信號，所以這里講的衰減比是交流電壓衰減比，是用來衡量專用探頭輸入交流電壓和輸出交流電壓之間的比率。定義為在專用探頭測量電壓范圍內(nèi)，輸入交流電壓和輸出交流電壓之比。由于專用探頭在用示波器測試時用在X1000檔位，故衰減比取1000:1。

我們制作的“耐射頻高電位電壓測試儀專用探頭”就是用來測試耐射頻高電位電壓測試儀的輸出信號的，而測試儀輸出的是交流高頻高壓正弦信號。測試儀實際就是射頻高壓交流正弦信號源。專用探頭就是一個交流電壓傳感器。它的輸入端接在測試儀的高頻高壓輸出端，測試的強高壓信號送入專用探頭，在探頭的輸出端輸出交流電壓，專用探頭輸入輸出的交流電壓比值為1000:1。將探頭的輸出信號從示波器的X1000檔位送入示波器，示波器上顯示的電壓就是“耐射頻高電位電壓測試儀”輸出電壓的真實值。

專用探頭制作過程是伴隨著調(diào)試同步是進行的，我們是這樣做的。首先，用本文開始介紹的間接的測試方法測量“耐射頻高電位電壓測試儀”輸出的高頻高壓數(shù)值;然后，按測試儀的“信號斷按鍵”，關(guān)掉高壓信號，此時測試儀的紅燈亮，無高頻高壓信號輸出。將“專用探頭”的輸入端和“耐射頻高電位電壓測試儀”的高頻高壓輸出的“檢測端口”連接;將“專用探頭”的輸出端(BNC連接器端口)和示波器的輸入端口連接(示波器的檔位放在X1)。再按測試儀的“信號通按鍵”，測試儀輸出高頻高壓信號，高頻高壓信號經(jīng)專用探頭后送入示波器，經(jīng)過探頭衰減的電壓數(shù)據(jù)就會在示波器上顯示出來。輸入探頭的高電壓數(shù)據(jù)(即開始測試的數(shù)據(jù))同示波器上顯示的電壓數(shù)據(jù)比值應為1000:1。例如，我們現(xiàn)在制作的探頭的衰減倍數(shù)的調(diào)試數(shù)據(jù)如下:用間接法測量“耐射頻高電位電壓測試儀”的輸出信號的頻率為5.3MHz，正弦電壓信號的峰峰值Vp－p=4900V，連接專用探頭后在示波器的電壓讀數(shù)Vp－p=4.9V，專用探頭的輸入、輸出交流電壓信號的比值為:A=4900V/4.9V=1000。

對專用探頭的衰減比A再作深刻分析:A值不僅是決定于“專用探頭”本身衰減電路的一個參數(shù)，同時還受到其它因數(shù)的影響。為此，我們畫出用“專用探頭”測試時，和被測信號源、示波器連接的整體電路圖，見圖2所示。

圖2 用專用探頭測試“耐射頻高電位電壓測試儀”的整體電路圖

在圖2中，ù0是“耐射頻高電位電壓測試儀”的輸出高頻高壓;

Z0是信號源的內(nèi)阻(耐射頻高電位電壓測試儀可看作信號源);

專用探頭可看成四端網(wǎng)絡。

Z1專用探頭的輸入阻抗;

A'是專用探頭本身的衰減系數(shù);

ù1在專用探頭輸入端電壓;

ù2專用探頭輸出端電壓;

Z2示波器的輸入阻抗。

ù0、Z0、Z1、A'、ù1、ù2、Z2均為復數(shù)，按復數(shù)電路進行分析計算:

根據(jù)復數(shù)電路歐姆定律:

完成復數(shù)計算后取模，就得到總衰減倍數(shù)A。從(3)式可以看出，專用探頭的總衰減系數(shù)不僅決定專用探頭本身的電路參數(shù)及衰減系數(shù)，被測信號源的內(nèi)阻的影響也是很大的。在具體測試時，必須注意這一點。由于受計量設備的限制，我們對專用探頭按JJF1437－2013“示波器電壓探頭校準規(guī)范”的定義作了技術(shù)測試認證。

［1］ JJF1437－2013示波器電壓探頭校準規(guī)范.

［2］ 電路(第4版)邱關(guān)源主編，高等教育出版.