陰極脈沖占空比與熒光屏電流關(guān)系研究

延 波，楊 曄，倪小兵，智 強，李軍國，鄧廣緒

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陰極脈沖占空比與熒光屏電流關(guān)系研究

延 波1,2，楊 曄1,2，倪小兵1,2，智 強1,2，李軍國1,2，鄧廣緒1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223）

自動門控電源作為微光像增強器的能量來源，其陰極脈沖占空比與熒光屏電流的關(guān)系對完善自動門控電源的自動亮度控制（ABC）電路設(shè)計具有重要意義。從自動門控電源與微光像增強器的匹配應(yīng)用方面分析了陰極脈沖占空比對熒光屏電流的影響，又從自動門控電源ABC電路設(shè)計方面分析了陰極脈沖占空比如何跟隨熒光屏電流變化，才能確保微光像增強器熒光屏亮度的基本恒定，給出了自動門控電源陰極脈沖占空比與熒光屏電流的曲線圖。

自動門控電源；像增強器；自動亮度控制；陰極脈沖占空比；熒光屏電流

0 引言

微光像增強器是能將微弱光（如夜天光）照射下的景物，通過光電陰極的光電子轉(zhuǎn)換、電子倍增器增強和熒光屏電-光轉(zhuǎn)換再現(xiàn)可見圖像的一類成像器件[1]。隨著微光像增強器應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化、多元化，與其適配的微光電源不僅提供其各電極所需的穩(wěn)定工作電壓，以及具有自動亮度控制（automatic brightness control）功能和強光保護(hù)（bright source protection）功能外，還需微光像增強器具有更寬的動態(tài)工作范圍[2]。自動門控技術(shù)的出現(xiàn)解決了微光像增強器向高照度應(yīng)用范圍擴展的需求，這一技術(shù)將MCP電壓調(diào)控技術(shù)和陰極脈沖寬度調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，在MCP電壓調(diào)控的基礎(chǔ)上，采用陰極脈寬調(diào)制技術(shù)代替陰極固定電壓，從而拓展了微光像增強器動態(tài)工作范圍[3-4]。

陰極脈寬調(diào)制技術(shù)在自動門控電源中的引入，使得自動門控電源電路中的ABC技術(shù)更加復(fù)雜。為了進(jìn)一步完善自動門控電源的ABC電路設(shè)計，本文從自動門控電源與微光像增強器的匹配應(yīng)用方面分析了陰極脈沖占空比對熒光屏電流的影響，又從自動門控電源ABC電路設(shè)計方面分析了陰極脈沖占空比如何跟隨熒光屏電流變化，給出了陰極脈沖占空比隨熒光屏電流變化的曲線圖。

1 基于自動門控電源的微光像增強器的ABC工作原理

微光像增強器的ABC功能是指當(dāng)外界光照強度變化時，微光像增強器熒光屏亮度基本保持恒定，即在人眼無法識別的前提下允許熒光屏亮度有微小變化，自動門控電源將此微小變化作為反饋信號，也就是將微光像增強器熒光屏電流的微小變化作為反饋控制信號，一方面自動調(diào)控MCP電壓控制微光像增強器MCP的電流增益；另一方面自動調(diào)整陰極脈沖占空比，控制微光像增強器光電陰極的電子發(fā)射量，通過MCP電壓調(diào)控和陰極脈寬調(diào)制共同實現(xiàn)微光像增強器熒光屏亮度的基本恒定[5-6]，ABC電路原理框圖如圖1所示。

當(dāng)微光像增強器熒光屏亮度達(dá)到設(shè)定值，即熒光屏電流A達(dá)到設(shè)定值（一般設(shè)定為60nA），也就是自動門控電源陽極電流達(dá)到設(shè)定值之后，ABC功能起動，此時陽極電流的微小變化DA（一般在0～6nA），通過微電流采樣放大電路轉(zhuǎn)換為低壓控制信號L，控制MCP電壓升降，如圖1中方式①所示，此種控制方式在微光電源中普遍采用，在此不再闡述；另一方面L轉(zhuǎn)換為占空比隨L自動調(diào)整的低壓脈沖信號LV，控制陰極高壓脈沖占空比HV的變化，如圖1中方式②所示，LV和HV除電壓幅度不同外，HV的頻率和占空比跟隨LV變化，在任意時刻低壓脈沖信號占空比LV與高壓脈沖占空比HV相同，即LV＝HV。

2 選通電源陰極脈沖占空比對熒光屏電流的影響分析

利用選通電源[7]的外部選通特性（HV的頻率和占空比跟隨LV變化），在選通電源陰極電壓、MCP電壓、陽極電壓（熒光屏電壓）都固定時，將選通電源與微光像增強器連接，且給微光像增強器光電陰極施加固定光照強度，此時通過調(diào)節(jié)選通電源外部選通脈沖的占空比來驗證微光像增強器熒光屏亮度是否隨陰極脈沖占空比線性變化，得到的一組熒光屏亮度隨陰極脈沖占空比變化的數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表1可知：微光像增強器熒光屏亮度跟隨陰極脈沖占空比線性變化。

根據(jù)表1測試結(jié)果，再結(jié)合微光像增強器熒光屏電流A與熒光屏亮度A的推導(dǎo)關(guān)系式A＝π·A·A/(·A)[7]可知：在陽極電壓A、熒光屏發(fā)光效率和熒光屏面積A都為固定值時，A和A有唯一線性對應(yīng)關(guān)系，因此微光像增強器熒光屏電流跟隨陰極脈沖占空比線性變化。

圖1 自動門控電源ABC電路原理框圖

Fig.1 ABC circuit principle of auto-gating power source

表1 一組熒光屏亮度隨陰極脈沖占空比變化的數(shù)據(jù)

在上述測試條件下，MCP電壓不變，則MCP電流增益不變，且電流增益未發(fā)生飽和現(xiàn)象；陰極電壓不變，則光電陰極靈敏度C不變，且光電陰極面積C也為固定值。故熒光屏電流[7]可表示為：

A＝HV··C·C·(1)

式中：為光電陰極面照度。

在上述條件下，由于C、C、都為定值，設(shè)＝C·C·，故式(1)可近似表示為：

A＝HV··(2)

從式(2)可以看出，微光像增強器熒光屏電流只與陰極脈沖占空比和光電陰極照度有關(guān)。當(dāng)光電陰極面光照強度增加時，若要保持微光像增強器熒光屏電流的基本恒定，只能通過減小陰極脈沖占空比來實現(xiàn)。

依據(jù)式(2)，再利用選通電源可實現(xiàn)陰極脈沖占空比HV為0.1%～100%可調(diào)、MCP電壓可調(diào)至較低值和熒光屏電壓在正常值保持不變的特性，在保持熒光屏亮度不變，即保持熒光屏電流A不變時，得到的一組陰極脈沖占空比隨陰極面光照強度變化的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 使用選通型微光像增強器得到的一組數(shù)據(jù)

從表2數(shù)據(jù)可知，陰極脈沖占空比與陰極面光照強度有一一對應(yīng)關(guān)系，且兩者對應(yīng)數(shù)據(jù)的乘積都基本相同，也驗證式(2)推導(dǎo)的正確性。

3 自動門控電源陰極脈沖占空比對熒光屏電流的影響分析

從自動門控電源與微光像增強器匹配應(yīng)用方面，分析陰極脈沖占空比對熒光屏電流的影響，通過借鑒關(guān)系式(2)，再結(jié)合自動門控電源ABC電路原理，得到基于自動門控電源的微光像增強器的陰極脈沖占空比、陰極面照度與熒光屏電流的關(guān)系式如下：

A＋ΔA＝HV··(3)

在原關(guān)系式(2)基礎(chǔ)上增加了熒光屏電流變化量DA，因為基于選通電源的微光像增強器的熒光屏亮度需外部進(jìn)行手動調(diào)節(jié)MCP電壓和脈沖占空比，不需要選通電源內(nèi)部產(chǎn)生反饋控制信號DA，而基于自動門控電源的微光像增強器的熒光屏是通過電源內(nèi)部的ABC功能自動調(diào)節(jié)的，自動門控電源需要熒光屏電流DA作為反饋信號自動調(diào)節(jié)MCP電壓和脈沖占空比，才能確保熒光屏亮度基本恒定，因此在熒光屏電流A的基礎(chǔ)上增加熒光屏電流變化量DA。

從式(3)可知：當(dāng)光電陰極面光照強度增加時，若要保持微光像增強器熒光屏電流的基本恒定，只能通過減小陰極脈沖占空比來解決，而陰極脈沖占空比又與微光像增強器熒光屏電流產(chǎn)生的控制信號有關(guān)。隨著陰極面光照強度以指數(shù)形式增加，陰極脈沖占空比需隨著熒光屏電流變化量DA的增加而基本以指數(shù)方式下降。

熒光屏電流變化量DA按照0～3nA考慮，為了保證熒光屏亮度的均勻性，及亮度曲線的平滑，熒光屏電流變化量DA選取0nA、1nA、2nA、3nA共4個數(shù)據(jù)點，要求熒光屏電流變化量DA與陰極脈沖占空比HV和陰極面光照強度的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 采用公式(3)得到的一組數(shù)據(jù)

要求自動門控電源ABC電路按表3數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，即隨著熒光屏電流變化量的線性增加，陰極脈沖占空比基本按照指數(shù)方式下降，才能確?；谧詣娱T控電源的微光像增強器ABC功能的實現(xiàn)。

4 熒光屏電流對自動門控電源陰極脈沖占空比的影響分析

在自動門控電源ABC電路設(shè)計時，熒光屏電流對陰極脈沖占空比的影響，主要體現(xiàn)為熒光屏電流對陰極脈沖占空比的控制情況，可分為熒光屏電流變化量DA與低壓控制信號L的關(guān)系分析、低壓控制信號L與低壓脈沖占空比LV的關(guān)系分析、低壓脈沖占空比LV與高壓脈沖占空比HV的關(guān)系分析共3部分，其中LV與HV的關(guān)系上面已經(jīng)分析。

4.1 VL與DIA的關(guān)系分析

自動門控電源的自動亮度控制功能起動后，微光像增強器熒光屏電流基本處于恒定狀態(tài)，而熒光屏電流的基本恒定就代表熒光屏電流達(dá)到設(shè)定值后只允許有微小的變化DA，DA通常為幾個納安。DA被微電流采樣放大電路轉(zhuǎn)換為低電壓控制信號L，此采樣放大電路通常由低功耗精密運算放大器及T型電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，L通常為幾伏內(nèi)的電壓信號[8]。L與DA的關(guān)系可表示為：

L＝DA·(4)

式中：為熒光屏電流DA轉(zhuǎn)低壓控制信號L的放大系數(shù)，在電路參數(shù)固定時為常數(shù)，一般為0.1V/nA～0.5V/nA；DA為熒光屏電流變化量，在電路參數(shù)固定時為常數(shù)。

從關(guān)系式(4)可知：低壓控制信號L是與微光像增強器熒光屏電流變化量DA有關(guān)的變量，且L與DA為線性關(guān)系。

4.2 VL與NLV的關(guān)系分析

自動門控電源將微光像增強器熒光屏電流采樣放大后的低壓控制信號L又控制低壓脈沖占空比LV的變化，再結(jié)合上述HV＝LV，也就是陰極高壓脈沖占空比HV根據(jù)低壓控制信號L的變化而變化。

將低壓控制信號L轉(zhuǎn)換為低壓脈沖占空比LV的方法至少有如下兩種：

①將低壓控制信號L與穩(wěn)定的三角波進(jìn)行比較，比較輸出即為占空比可調(diào)的方波，方波的占空比根據(jù)L的變化而變化。

②將低壓控制信號L通過A/D轉(zhuǎn)換，再送入PWM脈沖調(diào)制器，從而輸出占空比可調(diào)的方波信號，方波信號也隨L的變化而變化。

低壓控制信號L轉(zhuǎn)換為低壓脈沖占空比LV的實現(xiàn)方法不同，L與LV會有不同的對應(yīng)關(guān)系，或通過電路設(shè)計，可讓L與LV有特定的對應(yīng)關(guān)系，可表示為：

LV＝L·(5)

式中：可通過電路設(shè)計具有不同的值，且可不為常數(shù)。

由式(4)與式(5)可推得如下關(guān)系式：

LV＝DA··(6)

從式(6)可知：低壓脈沖占空比LV是與微光像增強器熒光屏電流變化量DA有關(guān)的變量，而HV＝LV，故可得到如下關(guān)系式：

HV＝DA··(7)

從式(7)可知：高壓脈沖占空比HV是與微光像增強器熒光屏電流變化量DA有關(guān)的變量，且為常數(shù)，根據(jù)變量的不同，HV隨DA進(jìn)行線性，或非線性變化。

通過上述分析，再結(jié)合表3自動門控電源ABC電路的設(shè)計要求，自動門控電源陰極脈沖占空比需跟隨熒光屏電流DA的線性增加而按指數(shù)方式下降。

5 討論及結(jié)論

上述分析中熒光屏電流變化量與陰極脈沖占空比對應(yīng)數(shù)據(jù)點的選擇較少，在自動門控電源ABC電路設(shè)計時，選擇更多的數(shù)據(jù)點將更有利于電路設(shè)計，而且使陰極脈沖占空比隨熒光屏電流變化的實際電路曲線與理論設(shè)計曲線更加逼近。對熒光屏電流變化量進(jìn)行細(xì)化后形成的陰極脈沖占空比隨熒光屏電流變化量的變化曲線如圖2所示。圖2中陰極脈沖占空比隨熒光屏電流變化量的線性增加而以指數(shù)形式由100%下降到0.1%。

本文從匹配應(yīng)用和設(shè)計方面分析了陰極脈沖占空比與熒光屏電流的關(guān)系，并給出了自動門控電源隨熒光屏電流變化量線性增加所對應(yīng)的陰極脈沖占空比下降曲線，對于自動門控電源的ABC電路設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

圖2 陰極脈沖占空比隨熒光屏電流變化量變化曲線

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Relationship Between Cathode Pulse Duty Cycle and Phosphor Screen Current

YAN Bo1,2，YANG Ye1,2，NI Xiaobing1,2，ZHI Qiang1,2，LI Junguo1,2，DENG Guangxu1,2

(1.,710065,；2..,.,650223,)

Investigating the relationship between cathode pulse duty cycle and phosphor screen current is extremely important for improving the automatic brightness control (ABC) circuit design of auto-gated power sources that are used as power supplies for image intensifiers. On one hand, our investigation includes analysis of the influence of cathode pulse duty cycle on phosphor screen current taking into account the matching application of the auto-gated power source and the image intensifier. On the other hand, in order to ensure that the phosphor screen brightness is maintained at a constant level, our investigation also includes the analysis of the change in cathode pulse duty cycle with change in phosphor screen current taking into account the design of the ABC circuit of the auto-gated power source. Finally, the curve diagram showing the relationship between cathode pulse duty cycle and phosphor screen current is presented.

auto-gating power source，image intensifier，automatic brightness control，cathode pulse duty cycle，phosphor screen current

TN223

A

1001-8891(2017)08-0757-04

2016-09-02；

2016-09-23.

延波（1984-），男，陜西綏德人，高級工程師，主要從事電子學(xué)在微光夜視技術(shù)中的應(yīng)用研究。E-mail：yb840311@126.com。