利用高壓探頭和電阻分壓器進行高壓測量的性能比較

楊　彥　李　磊　弓　捷

(天津市電子儀表實驗所，天津 300210)

0　引言

干擾敏感度測試是評價電子設備電磁兼容性的一項重要指標。進行敏感度測試首先需要模擬各種脈沖干擾量，其中包括電快速瞬變脈沖群、浪涌、靜電放電等形式，要想獲得正確的分析結(jié)果，就需要對這些模擬量進行測量。

本文旨在規(guī)范高壓脈沖瞬態(tài)信號的測量方法，提高高壓脈沖瞬態(tài)信號的測量能力和測量準確度。通過分析比較，選擇較為理想的儀器設備組成高壓脈沖瞬態(tài)測量系統(tǒng)，保證高壓脈沖瞬態(tài)參數(shù)傳遞的準確性和可靠性，從而為各種脈沖干擾量的研究提供科學依據(jù)，具有現(xiàn)實指導意義。

1　測量高壓脈沖瞬態(tài)信號的方法選擇

脈沖或瞬態(tài)干擾電壓一般可達數(shù)千伏，需要選擇合適的衰減器將高壓信號衰減為低壓信號后再獲取、測量。測量的數(shù)據(jù)是否準確一般與信號傳輸線及高壓負載的高頻特性參數(shù)直接相關。由于數(shù)字示波器具有高速采樣與存貯、預觸發(fā)觀察、多波形顯示與比較、支持與計算機的數(shù)據(jù)通訊等特點，適用于對單次脈沖波形或隨機脈沖波形的測量，因此，可用于對高壓脈沖信號衰減后的波形讀取和測量。

以NS61000-4K電快速瞬變脈沖群發(fā)生器為例，分別對電阻型高壓分壓器和高壓探頭兩種高壓衰減器的性能進行比較，通過原理分析及實驗，選擇更為科學有效的高壓脈沖瞬態(tài)信號的測量方法。

1.1　電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的原理

電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的原理與沖擊電壓發(fā)生器的原理相似，如圖1所示。直流高壓電源U經(jīng)充電電阻Rc向儲能電容C1充電。當C1上電壓大于火花間隙的擊穿電壓時，火花間隙擊穿，回路導通，C1首先經(jīng)波頭電阻R1向波頭電容C2充電，C2兩端電壓上升，形成沖擊電壓的波頭；同時C1和C2經(jīng)過波尾電阻R2放電，C2兩端電壓將下降，形成沖擊電壓的波尾。脈沖群發(fā)生器通過C2輸出的單個沖擊電壓波形如圖2所示(其中，η為實際沖擊電壓與峰值電壓的比值，隨時間t變化)。

圖1　電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的原理圖

圖2　單個沖擊電壓波形圖

圖2中，沖擊波形的上升時間tr為5ns，脈沖持續(xù)時間t1為50ns，由于上升時間tr=0.35/Bw(式中，Bw為示波器頻帶寬度)，為了滿足測量要求，需要選擇頻帶寬度為200MHz及以上的示波器。

當火花間隙中的電弧隨放電電流的減小逐漸熄滅后，U再次對C1充電，然后，再形成下一次放電，循環(huán)往復，形成脈沖群。通過控制U的輸出電壓，可以使脈沖群按照設定的重復率產(chǎn)生，如圖3所示(其中，u為實際沖擊電壓)。

圖3　沖擊脈沖群電壓波形圖

通常標準規(guī)定的脈沖群持續(xù)時間為15(1±20％)ms，脈沖群周期為300(1±20％)ms；單個脈沖的重復頻率一般為2.5kHz或5kHz(按實際需要選擇)。

1.2　高頻信號對導體的影響

電場中的任何一個導體都要受到其他帶電導體的影響。當物體帶電荷時，電荷周圍存在電場。電場中的導體在外部電場作用下，其內(nèi)部的電荷將重新分布，導體周圍的電場發(fā)生變化，即產(chǎn)生電容性耦合。當回路中流過變化的電流時，在它周圍的空間就會產(chǎn)生變化的磁場，這個變化磁場又會在相鄰回路中感應電壓，即產(chǎn)生電感性耦合，如圖4所示。

圖4　交變電路的容性和感性耦合示意圖

由于脈沖群發(fā)生器輸出的是電壓隨時間變化的交變信號，且頻率越高，經(jīng)過負載的電流變化越快，從而感性耦合效應越大，在其上的感性耦合電壓越大。此外，由于寄生分布電容的存在，當頻率到達一定值時，便會產(chǎn)生諧振效應，此時，諧振電壓將是原輸入電壓的數(shù)倍。

1.3　使用電阻型高壓分壓器對高壓脈沖瞬態(tài)信號進行衰減后的結(jié)果分析

電阻型高壓分壓器的分布電感和分布電容均很小，對頻率在100Hz以下的信號影響不大。而脈沖群發(fā)生器的輸出電壓具有脈沖上升時間短、重復率高、能量低和頻譜分布較寬等特點?？紤]若使用電阻型高壓分壓器對其輸出信號進行衰減，可能會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。

通過datron公司的多功能校準器4805對電阻型高壓分壓器(分壓比1000:1)的頻率響應進行驗證，得到如下結(jié)果：當信號頻率大于1kHz且隨著頻率的升高，實際分壓比將逐漸偏離標稱分壓比，且會產(chǎn)生一定的失真，頻率響應如圖5所示。

圖5　使用電阻型高壓分壓器進行衰減后的實際分壓比

1.4　使用高壓探頭對高壓脈沖瞬態(tài)信號進行衰減后的結(jié)果分析

高壓探頭一般具有線性好、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、能夠捕捉快速高壓信號等特點，其電壓測量范圍一般為幾十千伏。高壓探頭采用中間補償電阻，且都帶有衰減器,從而克服了高壓探頭和所連接的示波器輸入端的寄生電容對測量信號頻率特性的影響。

通過4805多功能校準器對Tektronix的P6015A型無源高壓探頭(分壓比1000:1，最高測量電壓DC：20kV，AC：40kV)的頻率響應進行驗證，結(jié)果如圖6所示。

圖6　使用高壓探頭進行衰減后的實際分壓比

可以看出，用高壓探頭對具有一定頻率的高壓脈沖瞬態(tài)信號進行分壓，其測量結(jié)果與標稱分壓比基本相符，受被測量信號頻率影響較小。

1.5　高壓脈沖瞬態(tài)信號通過衰減后的波形比較

以NS61000-4K脈沖群發(fā)生器輸出1kV脈沖信號為例，分別通過電阻型高壓分壓器以及高壓探頭進行衰減，然后將衰減信號分別接入數(shù)字存儲示波器進行測量，可得到如圖7所示的波形圖。

由圖7可以看出，使用電阻型高壓分壓器對1kV脈沖信號進行衰減，由于脈沖信號頻率對其分布電容和電感的影響，產(chǎn)生了耦合電壓疊加效應，使得測量結(jié)果與實際輸出信號相差較大。而使用高壓探頭對1kV脈沖信號進行衰減，測量結(jié)果能夠如實反映被測量信號。

圖7　衰減信號波形圖

1.6　結(jié)論

上述對比結(jié)果表明，對于脈沖群發(fā)生器輸出的脈沖波形，推薦使用高壓探頭和適當頻帶寬度的示波器進行測量(通過發(fā)生器輸出波形的上升時間計算)。此外，浪涌發(fā)生器、靜電放電發(fā)生器以及高頻噪聲模擬器等在電磁兼容領域抗擾度研究中使用的儀器設備，同樣可以選用此方法進行測量。通過實驗驗證，此方法具有測量可靠性高、頻率響應好、對脈沖波形畸變小、所需標準儀器成本低等優(yōu)點，適用范圍比較廣。

同時，利用相關軟件可以完成對示波器的通信與控制、數(shù)據(jù)采集、波形繪制、圖形文件保存及文件間轉(zhuǎn)化。

2　注意事項

1)使用高壓探頭時應注意：探頭的接地端務必與被測量儀器的地線相連，否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設備或大地間的電位差可能導致觸電或損壞相關設備。如有可能，盡量使用寬鋼板單點接地，以減小地線耦合和消除地線環(huán)路帶來的影響。

2)實驗時盡量使回路結(jié)構(gòu)緊湊，減小回路電感對波形測量的影響。測量建立時間短的脈沖信號和高頻信號時，盡量將探頭的接地導線與被測點的位置鄰近(接地導線過長，可能會引起振鈴或過沖等波形失真)。

3)若對測量準確度要求較高，可在電源上加裝隔離變壓器，以抑制電源線傳導干擾。此外，使用屏蔽同軸電纜傳輸信號，也可有效地削弱外界電磁場的干擾。

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